一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器

技术领域

本发明涉及一种微波传感器，尤其是涉及一种基于金属螺旋结构的Fano共振(法诺共振，Fano resonance)微波传感器。

背景技术

随着科学技术的发展进步，微波技术已经广泛应用于航空航天、无线通信以及卫星遥感等方面。随着微波技术的不断发展，关于微波传感器的研究探索也成为当今学术界研究的一大热点。作为物质的一个重要属性，折射率包含诸多有价值的信息，在食品农业、地质勘探、生物医学、化工以及新材料的研制等领域无不利用到物质的折射率特性，因此准确的折射率检测系统具有十分重要的学术和应用价值。由于微波对其相互作用的材料的特性非常敏感，因此微波传感器可以作为等离子体传感器来检测周围介质折射率的变化。微波传感器具有成本低、灵敏度高、易于与标准印刷电路板(PCB)光刻技术兼容等优点，在医学、化学、生物传感等领域得到了广泛的应用。

在过去的几十年里，有三种策略来实现微波传感器，包括：裂环谐振器(SRR)、衬底集成波导(SIW)、超材料。但这些微波传感器体积大、质量重，不利于器件的小型化和集成化。为了缩小器件的尺寸，仿局域表面等离子激元(spoof LSPs)和Fano共振等其他机制被用来实现微波传感器。然而，在实验中，基于仿表面等离激元(spoof LSPs)多用混合结构，其结构制作复杂。除了spooof LSPs外，Fano共振由于其带宽窄、光谱对比度高、对周围环境极敏感等特点，在微波传感领域具有很大的潜力。然而，由于这些结构中Fano共振带宽较宽，传感器的品质因数(FOM)仅为10左右，限制了其测量精度。优化品质因数这个参数的方法有很多，但是在实际设计中，并不能一味地追求提高高品质因数而忽略器件是否可小型化、集成化、易于制造等诸多问题。应用于介质折射率检测的微波传感器的设计需要在灵敏度、品质因数、传感器尺寸、设计复杂度、制造难度等其他性能之间相互取舍。因此，迫切需要一种新方案来直面超小型化、易制造、高FOM的微波传感器这一巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，该微波传感器包括两层结构，其中上层为金属层，下层为介质层；所述的金属层采用四重旋转对称的金属螺旋结构。

作为优选的技术方案，所述的金属层以十字型结构为基础，通过将十字臂加长并且每隔一段长度将十字臂顺时针旋转90°，每次旋转的直角记为第Gn代，如此螺旋迭代，最终形成了四重旋转对称的金属螺旋结构。

作为优选的技术方案，所述的金属层的厚度为0.1mm。

作为优选的技术方案，所述的金属层包括中央正方形、内圈金属条和外圈金属环，所述内圈金属条为内圈十字型螺旋结构；

外圈金属环和内圈十字型螺旋结构分别对应于宽带宽的辐射模式和窄带宽的亚辐射模式，这两种模式的透射光谱相互重叠，且在空间上距离较近，经过近场强耦合而产生了Fano共振。

作为优选的技术方案，所述的中央正方形的边长为a＝0.6mm。

作为优选的技术方案，所述的外圈金属环宽度b，内圈金属条宽度w和金属条间隙宽度s均为0.2mm。

作为优选的技术方案，整个所述的金属螺旋结构为正方形结构，其边长p为9.4mm，与波长λ

作为优选的技术方案，所述的金属层为采用铜材料制作而成的金属层。

作为优选的技术方案，所述的介质层为采用F4B217材料制作而成的介质层。

作为优选的技术方案，该微波传感器具有小线宽4.91MHz，高的Q因子：Q＝497，高灵敏度S＝0.925GHz/RIU，高传感品质因数Sensing FOM＝188.4RIU

与现有技术相比，本发明具有小线宽、高Q因子、高灵敏度、高传感品质因数(Sensing FOM)，可作为等离子体传感器，精准检测周围介质折射率的变化。通过精准测量物质的折射率也可实现对物质种类、成分、品质及状态的快速无损精准鉴别，可广泛应用于生物医疗、电力电子、化学化工等诸多科学领域。本发明具有尺寸紧凑、易集成、易共形、等特点，有利于其在可便携穿戴设备、微系统中的发展，为基于此开发新型微波介电传感功能器件提供新的可能，在个学科领域中都具有十分重要的研究意义与实用价值。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明高FOM的超小微波传感器的透射谱曲线图；

图4为本发明高FOM的超小微波传感器的传感特性曲线图。

其中1为金属层，2为介质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，可作为等离子体传感器来检测周围介质折射率的变化。通过精准测量物质的折射率也可实现对物质种类、成分、品质及状态的快速无损精准鉴别，可广泛应用于生物医疗、电力电子、化学化工等诸多科学领域。

高FOM的超小微波传感器，其为金属螺旋结构，图1展示了此高FOM的超小微波传感器的结构示意图。此结构由两层结构组成，上层为金属层1(图2)，下层为介质层2。上层结构以十字型结构为基础，通过将十字臂加长并且顺时针旋转90°，螺旋迭代，形成了四重旋转对称的金属螺旋结构，此结构在实现了超小型化的同时具备对电磁波极化不敏感的特性。

本发明提出的一种高FOM的超小微波传感器的主要功能为：通过结构响应随折射率变化的特性，作为等离子体传感器来检测周围介质折射率的变化，从而对物质种类、成分、品质及状态的快速无损精准鉴别，可广泛应用于生物医疗、电力电子、化学化工等诸多科学领域。此微波传感器结构基于谐振型螺旋偶极子天线，结构的形状和尺寸决定了微波天线的谐振频率。根据传输线理论，结构的第一谐振频率由ω

本发明在对上述微波传感器结构进行数值仿真，分析微波传感器的透射、反射和吸收的变化时，在其透射谱中出现了很鲜明的非对称Fano线形，此Fano线形即为该微波传感器作为折射率传感器的关键。此结构中，外圈金属环和内圈十字型螺旋结构分别对应于宽带宽的辐射模式和窄带宽的亚辐射模式，这两种模式的透射光谱相互重叠，且在空间上距离较近，经过近场强耦合而产生了Fano共振。此外，透射光谱中的共振幅值也受到辐射模式和亚辐射模式相互作用的影响，Fano共振具有很高(～1)的光谱对比度。Fano共振传感器对旋转弯曲代数Gn、金属条宽度、金属条间隙宽度十分敏感，通过对这三个参数进行修改及优化，最终设计实现了在2.39GHz处为透射峰值、2.44GHz处为透射谷值的窄线宽非对称Fano线形，如图3所示。此Fano共振具有极小的3dB带宽4.91MHz(约为λ

上层结构为金属层，选用在微波波段内可视为完美电导体的铜；下层为介质层，根据微波电路的电性能要求，选用具有良好电气性能和较高机械强度的优质材料F4B217，其是一种优良微波印制电路基板，介电常数为2.17。

图1展示了本发明中的高灵敏的超小微波传感器的结构示意图，此结构由两层结构组成，上层为金属层(图2)，厚度为0.1mm，下层为介质层，厚度为1mm。金属螺旋结构(图2)中，外圈金属环宽度，内圈金属条宽度和金属条间隙宽度为b＝w＝s＝0.2mm，中央正方形边长为a＝0.6mm，整个金属螺旋结构的尺寸p为9.4mm。

本发明中，微波传感器采用的四重旋转对称的金属螺旋结构，在很小的尺寸下，尽可能多地增加了结构中金属条带的长度，即有效地增加了结构的电长度，使结构的尺寸p＝9.4mm与波长λ

本发明提出结合传输线理论和数值仿真计算系统研究高灵敏的超小微波传感器结构的透射、反射和吸收的变化，从物理原理上设计实现窄3dB带宽、高Q因子、高灵敏度、高传感品质因数的微波传感器。

因此本发明一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，可作为等离子体传感器来检测周围介质折射率的变化。通过精准测量物质的折射率也可实现对物质种类、成分、品质及状态的快速无损精准鉴别，可广泛应用于生物医疗、电力电子、化学化工等诸多科学领域。本发明具有尺寸紧凑、易集成、易共形等特点，有利于其在可便携穿戴设备中的发展，为基于此开发新型微波介电传感功能器件提供新的可能，在个学科领域中都具有十分重要的研究意义与实用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。