一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器制造技术

本发明专利技术涉及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。与现有技术相比，本发明专利技术具有尺寸紧凑、易集成、易共形等优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]根据本专利技术的一个方面，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。
[0007]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。
[0008]作为优选的技术方案，所述的金属层的厚度为0.1mm。
[0009]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；
[0010]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。
[0011]作为优选的技术方案，所述的中央正方形的边长为a＝0.6mm。
[0012]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。
[0013]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λ0之比p/λ0达到1/13，实现了微波传感器超小型化的目标。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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
‑1，可作为等离子体传感器来检测周围介质折射率的变化。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有小线宽、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。本专利技术具有尺寸紧凑、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
[0018]图1为本专利技术的立体结构示意图；
[0019]图2为本专利技术的俯视结构示意图；
[0020]图3为本专利技术高FOM的超小微波传感器的透射谱曲线图；
[0021]图4为本专利技术高FOM的超小微波传感器的传感特性曲线图。
[0022]其中1为金属层，2为介质层。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应属于本专利技术保护的范围。
[0024]本专利技术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。
[0025]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。
[0026]本专利技术提出的一种高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ω0＝1/(LC)
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给出，其中L表示结构中金属条的电感，C表示结构中两个金属条之间间隙的电容。增加L和C的最简单方法是增加结构中金属条的长度并减小其间隙宽度。本微波传感器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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，其特征在于，所述的金属层的厚度为0.1mm。4.根据权利要求1或3所述的一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的一种基于金属螺旋结构的Fano共振微波传感器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：司文荣，傅晨钊，胡正勇，倪鹤立，李伟，甘峰源，周易，杨雪雷，蓝盾，商祥烁，
申请(专利权)人：华东电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：