JP6783701B2 - センシング素子 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体の誘電特性をセンシングするセンシング素子に関する。

近年、メタマテリアルでよく用いられる分割リング共振器と伝送線路を結合させた構造により、誘電体の誘電特性を高感度にセンシングする技術が提案されている。分割リング共振器は、一部にギャップ（隙間）を有するリング形状の金属パターンから構成されている。分割リング共振器では、リング形状の金属パターン（以下、「リング部」ということがある）が誘導成分Ｌ、ギャップを挾んで互いに対向する金属パターンが容量成分Ｃとして機能する。分割リング共振器は、リング部に周回電流が励起され、ギャップに電界が集中するＬＣ共振モードを有している。メタマテリアルデバイスでは、一般に、上記の共振モードを用いてメタマテリアル特有の現象を実現している。

メタマテリアルのセンシング応用においては、分割リング共振器を微細に形成することによって、波長に比べて非常に小さい領域に電界を集中できるため、分割リング共振器のギャップにおいて誘電体の誘電特性をセンシングする技術が研究されている。例えば非特許文献１では、図９に示す構成が開示されている。この構造では、分割リング共振器５０１のギャップ５０２とは反対側に伝送線路５０３を配置し、分割リング共振器５０１に伝送線路５０３を電磁的に結合する。また、分割リング共振器５０１のギャップ５０２の近傍に流路５２１を設け、流路５２１にセンシング対象の液体を導入し、導入した液体の誘電特性をセンシングする領域としている。

このセンシング素子において、分割リング共振器５０１のＬＣ共振周波数と一致した信号を伝送線路５０３に流し、分割リング共振器５０１のギャップ５０２に電界を集中させ、高感度に液体の誘電特性をセンシングしている。なお、分割リング共振器５０１および伝送線路５０３は、基板５１１の上に形成されている。また、伝送線路５０３と、基板５１１の裏面（ただし、分割リング共振器５０１およびその近傍に対する領域を除く）に形成された金属層５０６とにより、マイクロストリップラインが構成されている。

W. Withayachumnankul et al., "Metamaterial-based microfluidic sensor for dielectric characterization", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 189, pp. 233-237, 2013.

上述したセンシング素子の高感度化のためには、分割リング共振器と伝送線路とからなるセンシング素子の共振ピーク強度および共振のＱ値（Quality factor）が大きい程良い。しかしながら、非特許文献１のような従来構造の場合、基板厚が薄く誘電率が低い基板を用いると、共振ピーク強度および共振のＱ値を大きくすることは容易ではない。また、分割リング共振器が形成されている基板の面の反対側にセンシング対象がある場合、基板の誘電率が低く、基板が薄い程良い。しかし、非特許文献１のような従来構造の場合、誘電率が低く基板厚が薄い基板を用いると、共振ピーク強度およびＱ値が大きく低下してしまう。

例えば、図９に示す従来の構成において、基板５１１を市販されている低誘電率基板（基板の厚さ１２７μｍ、比誘電率２．３）から構成した場合を例に説明する。この場合、伝送線路透過特性（Ｓ２１）を電磁界シミュレーションにより計算すると、図１０に示すように、共振周波数ｆにおいて、伝送線路透過率が低下する結果となる。なお、図９に示す各部分の寸法は、Ａ＝２ｍｍ，Ｂ＝２ｍｍ，ｍ＝０．３８ｍｍ，ｓ＝０．０２５ｍｍ，ｗ＝０．１ｍｍ，ｇ＝０．１ｍｍである。また、平面視で分割リング共振器５０１が配置されている領域近傍の基板５１１の裏面には、金属層５０６が形成されていない。

図１０に示す結果から、共振ピーク強度（透過率が低下する度合い）は−３．５３ｄＢ、Ｑ値は６．５となっており、非特許文献１で報告されている値に比べても大きく劣化している状態がわかる。ここで、Ｑ値はｆ₀／Δｆで定義され、ｆ₀は共振周波数、Δｆは共振ピーク強度に対する３ｄＢ帯域幅である。

以上に説明したように、伝送線路と電磁的に結合した分割リング共振器を用いた従来のセンシング素子では、センシングの感度を高くすることが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、分割リング共振器を用いたセンシング素子におけるセンシング感度をより容易に向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係るセンシング素子は、基板の上に形成された、一部にギャップを有する金属パターンからなる分割リング共振器と、分割リング共振器と電磁的に結合する伝送線路と、誘電特性を検出するためのセンシング領域とを備え、分割リング共振器は、平面視多角形に形成された配線パターンを有し、ギャップは、配線パターンが形成する多角形の複数の辺のうち一の辺に形成され、伝送線路は、分割リング共振器のギャップを含む一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺において電磁的に結合する。

上記センシング素子において、伝送線路は、分割リング共振器のギャップを含む一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺と平行に配置されていればよい。

上記センシング素子において、伝送線路のうち、分割リング共振器の配線パターンが形成する多角形の複数の辺のうち、互いに隣接しない２辺においてそれぞれ電磁的に結合する部分の間の長さは、伝送線路における分割リング共振器の共振周波数の波長を２で除した値の奇数倍の長さとなっているとよい。

上記センシング素子において、分割リング共振器は、平面視矩形に形成された配線パターンを有し、伝送線路は、分割リング共振器のギャップが設けられた辺に隣接する２つの辺において分割リング共振器と電磁的に結合していればよい。

上記センシング素子において、伝送線路を構成する金属配線は、基板の分割リング共振器が配置されている面と同一の面に形成されていてもよく、伝送線路を構成する金属配線は、基板の分割リング共振器が配置されている面の反対側の面に形成されていてもよい。

上記センシング素子において、基板は、複数の誘電体層と金属配線層からなる多層基板であり、分割リング共振器は、多層基板のいずれかの金属配線層に形成され、伝送線路を構成する金属配線は、分割リング共振器が形成されている金属配線層とは異なる他の金属配線層に形成されている。

上記センシング素子において、さらに、分割リング共振器のギャップおよびその近傍領域に設けられ、ギャップまたはその近傍にセンシング対象となる流体が流れる流路を規定する構造体を有するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、伝送線路は、分割リング共振器のギャップを含む一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺において電磁的に結合するようにしたので、分割リング共振器を用いたセンシング素子におけるセンシング感度をより容易に向上させることができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の構成を示す平面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の構成を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の構成を示す断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の構成を示す断面図である。 図２Ｅは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の一部構成を示す断面図である。 図２Ｆは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の一部構成を示す平面図である。 図３は、分割リング共振器１０１および伝送線路１０３における共振ピーク強度の、遅延線長Ｌ_add依存性を電磁界シミュレーションにより解析した結果を示す特性図である。 図４は、実施の形態におけるセンシング素子の伝送線路透過特性について、電磁界シミュレーションをした結果を示す特性図である。 図５は、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の他の構成を示す平面図である。 図６は、１つの伝送線路１０３に、各々共振周波数の異なる分割リング共振器１０１ａ、分割リング共振器１０１ｂ、分割リング共振器１０１ｃを結合した場合の、伝送線路透過特性を示す特性図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の他の構成を示す平面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の他の構成を示す平面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の他の構成を示す断面図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態におけるセンシング素子の他の構成を示す断面図である。 図９は、分割リング共振器５０１を用いた従来のセンシング素子の一部構成を示す平面図である。 図１０は、図９に示す従来の構成における伝送線路透過特性を電磁界シミュレーションにより計算した結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態におけるセンシング素子ついて図１を参照して説明する。このセンシング素子は、分割リング共振器１０１、伝送線路１０３、センシング領域１０４を備える。

分割リング共振器１０１は、基板１１１の上に形成されている。基板１１１は、誘電体（絶縁体）から構成すればよい。また、分割リング共振器１０１は、一部にギャップ１０２を有する金属パターンから構成されている。分割リング共振器１０１は、平面視多角形に形成された配線パターンを有する。ギャップ１０２は、上記配線パターンが形成する多角形の複数の辺のうち一の辺に形成されている。伝送線路１０３は、分割リング共振器１０１と電磁的に結合する。センシング領域１０４は、誘電特性を検出するための領域である。これらは、従来と同様である。

実施の形態においては、伝送線路１０３は、分割リング共振器１０１のギャップ１０２を含む一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺において電磁的に結合する。例えば、伝送線路１０３は、分割リング共振器１０１のギャップ１０２を含む一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺と平行に配置されている。例えば、分割リング共振器１０１は、平面視矩形に形成された配線パターンを有し、伝送線路１０３は、分割リング共振器１０１のギャップ１０２が設けられた辺に隣接する２つの辺において分割リング共振器１０１と電磁的に結合する。

また、実施の形態におけるセンシング素子において、伝送線路１０３のうち、分割リング共振器１０１の配線パターンが形成する多角形の複数の辺のうち、互いに隣接しない２辺においてそれぞれ電磁的に結合する部分の間の伝送線路は、遅延線として作用する。遅延線１０５は、図１において、グレーで示す部分である。例えば、遅延線１０５は、位相制御のため、伝送線路１０３における分割リング共振器１０１の共振周波数の波長を２で除した値の奇数倍の長さとなっていればよい。遅延線１０５は、伝送線路１０３の一部で構成し、分割リング共振器１０１の一辺と結合してからもう一辺と結合するまでの遅延線長Ｌ_addが、「Ｌ_add＝λ_L／２＋ｎλ_L （ｎ＝０，１，２，３，・・・）」となっていればよい。なお、λ_Lは、伝送線路１０３における共振周波数の信号の伝送線路内信号波長である。

上述した実施の形態におけるセンシング素子の、分割リング共振器１０１および伝送線路１０３における共振ピーク強度の、Ｌ_add依存性を電磁界シミュレーションにより解析した結果を図３に示す。図３において、Ｌ_addは、共振周波数における伝送線路内信号波長λ_Lにて規格化している。遅延線１０５の長さが（λ_L／２）の奇数倍、すなわち「Ｌ_add＝λ_L／２＋ｎλ_L （ｎ＝０，１，２，３，・・・）」となるとき、図３に示すように、共振ピーク強度が極小となることがわかる。

また、実施の形態におけるセンシング素子は、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図２Ｄにも示すように、基板１１１の裏面に、伝送線路１０３とマイクロストリップラインを構成するための金属層１０６を備える。なお、図２Ａは、図１のａａ’線の断面を示す。また、図２Ｂは、図１のｂｂ’線の断面を示す。また、図２Ｃは、図１のｃｃ’線の断面を示す。また、図２Ｄは、図１のｄｄ’線の断面を示す。

また、この例では、平面視で、分割リング共振器１０１が配置された領域およびその近傍の裏面には、金属層１０６が形成されていない。この構成とすることで、センシング領域１０４では、基板１１１の裏面側においても、対象とする液体のセンシングが可能となる。

なお、実施の形態におけるセンシング素子は、図２Ｅ，図２Ｆに示すように、センシング領域１０４において、ギャップ１０２の上部を通過する流路１２１を備える。流路１２１は、流路基板１２２に形成され、一端に導入口１２３を備え、他端に排出口１２４を備える。流路１２１は、例えば、分割リング共振器１０１のギャップ１０２が形成される辺に対し、垂直な方向にセンシング対象の液体を送液する。センシング対象の液体を、導入口１２３より流路１２１に導入し、センシング領域１０４において、液体の誘電特性をセンシングし、排出口１２４より排出する。このように、流路１２１を設ける場合、平面視で、分割リング共振器１０１の配置領域近傍の裏面にも、金属層１０６が形成されていてもよい。

図４に、上述した実施の形態におけるセンシング素子の伝送線路透過特性について、Ｌ_add＝λ_L／２の場合の電磁界シミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーションでは、基板１１１は、板厚を１２７μｍ、比誘電率を２．３としている。また、図１に示す各部の寸法は、Ａ＝２ｍｍ，Ｂ＝２ｍｍ，ｍ＝０．３８ｍｍ，ｓ＝０．０２５ｍｍ，ｗ＝０．１ｍｍ，ｇ＝０．１ｍｍ、Ｌ_add＝１３ｍｍとした。

また、分割リング共振器１０１および伝送線路１０３が形成されている面と反対の基板１１１裏面に配置した材料のセンシングが可能なように、分割リング共振器１０１近傍の基板１１１裏面には、金属層１０６がない構造としている。図４に点線で示すように、実施の形態におけるセンシング素子によれば、図４に実線で示す従来構造のシミュレーション結果に比べて、共振ピーク強度が１８ｄＢ以上大きくなる。また、実施の形態におけるセンシング素子によれば、従来構造に比べて、共振のＱ値も８２と大きくなっていることが確認できる。

上述したように、厚さが１２７μｍと薄く、比誘電率が小さい基板１１１を用いることにより、分割リング共振器１０１のギャップ１０２に集中する電界が、基板１１１の裏側まで達しやすくなる。これにより、例えば、分割リング共振器１０１や伝送線路１０３などは、基板１１１の表面側に形成し、センシング対象が接触する領域は、基板１１１の裏面側に配置することによって両者を分離することができる。この結果、複雑な配線パターンの形成や部品の実装などを、基板１１１の表面にて実施することが容易になる。

以上に説明したように、分割リング共振器１０１の平面視多角形をなす配線パターンのうちギャップ１０２が設けられた辺以外の２つ以上の辺で、伝送線路１０３と分割リング共振器１０１とを結合するようにしたので、より高い結合状態が得られ、より大きなＱ値が得られ、より大きな共振ピーク強度が得られるようになる。この結果、センシング素子におけるセンシング感度をより容易に向上できるようになる。

ところで、図５に示すように、連続する１つの伝送線路１０３を平面視でクランク状に形成し、互いに平行となる伝送線路１０３の間に３つの分割リング共振器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃを設けてもよい。分割リング共振器１０１ａに対して、遅延線長Ｌ_add1＝λ_L1／２＋ｎλ_L1の遅延線１０５ａを備える。分割リング共振器１０１ｂに対しては、遅延線長Ｌ_add2＝λ_L2／２＋ｎλ_L2の遅延線１０５ｂを備える。分割リング共振器１０１ｃに対しては、遅延線長Ｌ_add3＝λ_L2／２＋ｎλ_L2の遅延線１０５ｃを備える。また、ギャップ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃは、端部をＴ字状に形成することによって、相対する部分の長さを、リング部の配線幅より広くしている。ギャップにおけるギャップ幅および相対する部分の長さにより、共振周波数を調整することができる。

上述したように、１つの伝送線路１０３に、各々共振周波数の異なる分割リング共振器１０１ａ、分割リング共振器１０１ｂ、分割リング共振器１０１ｃを結合した場合の、伝送線路透過特性（Ｓ２１）の概念について、図６に示す。図６の（ａ）は、分割リング共振器１０１ａの共振ピークを示し、（ｂ）は、分割リング共振器１０１ｂの共振ピークを示し、（ｃ）は、分割リング共振器１０１ｃの共振ピークを示す。

分割リング共振器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの共振ピーク強度を極小とする、分割リング共振器１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの共振周波数時における電磁波の伝送線路内波長をそれぞれλ₁、λ₂、λ₃とすると、遅延線１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃの遅延線長Ｌ_addは，それぞれ、「Ｌ_add1＝λ_L1／２＋ｎλ_L1」、「Ｌ_add2＝λ_L2／２＋ｎλ_L2」、「Ｌ_add3=λ_L3／２＋ｎλ_L3」（ｎ＝０，１，２，…）とすれば良い。

上述したように、２つ以上の共振特性を任意の周波数において形成することで、センシング対象の誘電特性が、離散的ではあるが広帯域により高感度にセンシング可能となる。

なお、図７に示すように、基板２１１の上に、１つのギャップ２０２を共通とする２つの分割リング共振器２０１ａ、分割リング共振器２０１ｂを備えるようにしてもよい。伝送線路２０３は、分割リング共振器２０１ａ、分割リング共振器２０１ｂの周囲を囲うように形成する。なお、基板２１１の裏面には、金属層２０６が形成されている。金属層２０６は、平面視で、分割リング共振器２０１ａ、分割リング共振器２０１ｂの配置領域には、形成されていない。

また、分割リング共振器と伝送線路（遅延線）とは、同一の面に形成されている必要はない。例えば、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃに示すように、基板１１１の表面１１１ａに、分割リング共振器１０１が形成され、基板１１１の裏面１１１ｂ（分割リング共振器１０１が配置されている面の反対側の面）に伝送線路１０３ａおよび遅延線１０５ａが形成されていてもよい。この構成とすることで、平面視で、分割リング共振器１０１と伝送線路１０３ａとが重なる領域を形成することができる。

この場合、伝送線路１０３ａおよび遅延線１０５ａに対し、他基板１１２を介してマイクロストリップラインを構成するための金属層１０６ａを形成すればよい。他基板１１２は、誘電体（絶縁体）から構成されていればよい。なお、図８Ｂは、図８Ａのａａ’線の断面を示している。また、図８Ｃは、図８Ａのｂｂ’線の断面を示している。

また、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃを用いた説明では、金属層１０６ａを、平面視で分割リング共振器１０１の配置領域にも形成しているが、これに限るものではない。金属層１０６ａは、平面視で分割リング共振器１０１の配置領域には形成しなくてもよい。

また、基板を、複数の誘電体層と金属配線層からなる多層基板から構成し、分割リング共振器を、多層基板のいずれかの金属配線層に形成し、伝送線路を構成する金属配線は、分割リング共振器が形成されている金属配線層とは異なる他の金属配線層に形成してもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、ギャップが設けられた辺以外の２つ以上の辺で、伝送線路と分割リング共振器と結合するようにしたので、分割リング共振器を用いたセンシング素子におけるセンシング感度をより容易に向上させることが可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、分割リング共振器の配線構造を、平面視で矩形としたが、これに限るものではない。

例えば、分割リング共振器の配線構造は、平面視で３角形としてもよい。３角形の１辺にギャップを形成し、他の２辺で伝送線路に結合させるようにすればよい。また、３角形のギャップを形成した辺の対頂点の側において、伝送線路を延長して遅延線を設けるようにしてもよい。

また、分割リング共振器の配線構造は、平面視で５角形としてもよい。５角形の１辺にギャップを形成し、他の４辺に伝送線路に結合させるようにしてもよい。また、分割リング共振器の配線構造は、平面視で６角形としてもよい。６角形の１辺にギャップを形成し、この辺に隣接する２辺、およびこの２辺の各々に隣接する２辺に伝送線路に結合させ、残りの１辺の部分における伝送線路に遅延線を設けるようにしてもよい。

１０１…分割リング共振器、１０２…ギャップ、１０３…伝送線路、１０４…センシング領域、１０５…遅延線、１０６…金属層、１１１…基板。

Claims (8)

1. 基板の上に形成された、一部にギャップを有する金属パターンからなる分割リング共振器と、
   前記分割リング共振器と電磁的に結合する伝送線路と、
   誘電特性を検出するためのセンシング領域と
   を備え、
   前記分割リング共振器は、平面視多角形に形成された配線パターンを有し、
   前記ギャップは、前記配線パターンが形成する前記多角形の複数の辺のうち一の辺に形成され、
   前記伝送線路は、前記分割リング共振器の前記ギャップを含む前記一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺において電磁的に結合することを特徴とするセンシング素子。
2. 請求項１記載のセンシング素子において、
   前記伝送線路は、前記分割リング共振器の前記ギャップを含む前記一の辺以外の辺のうち少なくとも２辺と平行に配置されることを特徴とするセンシング素子。
3. 請求項１または２に記載のセンシング素子において、
   前記伝送線路のうち、前記分割リング共振器の前記配線パターンが形成する前記多角形の複数の辺のうち、互いに隣接しない２辺においてそれぞれ電磁的に結合する部分の間の長さは、前記伝送線路における前記分割リング共振器の共振周波数の波長を２で除した値の奇数倍の長さとなっている
   ことを特徴とするセンシング素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
   前記分割リング共振器は、平面視矩形に形成された配線パターンを有し、
   前記伝送線路は、前記分割リング共振器の前記ギャップが設けられた辺に隣接する２つの辺において前記分割リング共振器と電磁的に結合する
   ことを特徴とするセンシング素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
   前記伝送線路を構成する金属配線は、前記基板の前記分割リング共振器が配置されている面と同一の面に形成されていることを特徴とするセンシング素子。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
   前記伝送線路を構成する金属配線は、前記基板の前記分割リング共振器が配置されている面の反対側の面に形成されていることを特徴とするセンシング素子。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
   前記基板は、複数の誘電体層と金属配線層からなる多層基板であり、
   前記分割リング共振器は、前記多層基板のいずれかの金属配線層に形成され、
   前記伝送線路を構成する金属配線は、前記分割リング共振器が形成されている金属配線層とは異なる他の金属配線層に形成されている
   ことを特徴とするセンシング素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
   さらに、
   前記分割リング共振器の前記ギャップおよびその近傍領域に設けられ、前記ギャップまたはその近傍にセンシング対象となる流体が流れる流路を規定する構造体
   を有することを特徴とするセンシング素子。