A Miniaturized Metamaterial Resonator-based Microwave Biosensor with High Quality Factor for Solid Materials Characterization

Abstract

Через свою якісну у значимість у багатьох галузях, особливо біомедичних, характеристика твердих матеріалів нещодавно привернула інтерес вчених. У цій статті представлено мікрохвильовий біосенсор мініатюрного розміру для визначення характеристик твердих матеріалів, який утворений двома ідентичними та періодичними метаматеріальними резонаторами з розділеним кільцем (SRR), що живляться мікросмужковою лінією, адаптованою до двох її кінців. Метод, запропонований для розробки нашого біосенсора, базується на використанні електромагнітних якостей кожного SRR, що представляє елементарну комірку загальної структури. Розмір SRR оптимізовано для електричних розмірів 0.251 𝜆0 × 0.2251 𝜆0 × 0.031𝜆0 , де λ0 – довжина хвилі вільного простору, розрахована на найнижчій робочій частоті 4,72 ГГц. Характеристика твердих матеріалів заснована на виявленні їх діелектричної проникності через прямий контакт із запропонованим біосенсором. Для нашого дослідження ми використовували чотири різні підкладки, щоб мати різну чутливість. Моделювання, проведене на загальній структурі (біосенсора та діелектричної підкладки) на основі чисельного симулятора HFSS, показало хороші характеристики чутливості нашого біосенсора. Низька повна ширина на половині максимуму (FWHM = 0,004), високий коефіцієнт якості (Q = 103,28) і висока добротність (FOM = 428,61). Ці функції можуть зробити наш біосенсор більш надійним для визначення твердих речовин.

Because of its qualitative importance in several aspects, especially biomedical ones, the characterization of solid materials has recently attracted the interest of scholars. The detection of such a material based on its dielectric constant with reliable precision represents the main desired objective. In this paper, a miniature sized microwave biosensor is presented for solid materials characterization. The proposed biosensor is formed by two identical and periodic split ring metamaterial resonators (SRRs) fed by a microstrip line adapted to its two extremities. The method proposed for the design of our biosensor is based on the exploitation of the electromagnetic qualities of each SRR representing the unit cell of the overall structure. The size of the SRR is optimized for electrical dimensions of 0.251λ0 × 0.2251λ0 × 0.031λ0 where 𝜆0 is the free space wavelength calculated at the lowest operating frequency of 4.72 GHz. the characterization of solid materials is based on the detection of its dielectric constants through direct contact with the proposed biosensor. For our study, we have used four different substrates to have the different sensitivities. The simulations carried out on the overall structure (biosensor and dielectric substrate) based on the HFSS numerical simulator showed good sensing performance of our biosensor. A low full width at half maximum (𝐹𝑊𝐻𝑀 = 0.004), A high quality factor (𝑄 = 103.28) and a high figure of merit (𝐹𝑂𝑀 = 428.61). These features can make our biosensor more reliable for solids materials sensing.