CN114623850A - 谐振增强的无源耦合传感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种谐振增强的无源耦合传感结构，该结构包括长方形金属块、金属板、外谐振环、内谐振环；所述长方形金属块与金属板组成馈电单元，该馈电单元共有两处，分别位于外谐振环对称的两边，馈电单元与外谐振环彼此靠近但不相连；外谐振环是在一个正八边形外环的内侧连接外金属光栅构成；内谐振环是一个正八边形内环的外侧连接内金属光栅构成；内谐振环位于外谐振环中且两者同心；外金属光栅与内金属光栅相互交错排列；改变耦合谐振器中各处的结构尺寸参数，可以调节各个谐振模式的频点、强度和Q值，基于该技术可以灵活设计工作在太赫兹、微波、毫米波频段的耦合传感器。

Description

谐振增强的无源耦合传感结构
技术领域
本发明是一种新型传感器技术，提供的设计是环形传感器的变形，特别是一种基于局域型人工表面等离激元的片上无源八边形耦合传感器。
背景技术
表面等离激元是在特定激励条件下形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，可以将电磁场能量局限在金属表面很小的范围内，在高频段具有强束缚性、亚波长、高频截止等特性，在高速通信电路、集成电路、传感器等领域中有广泛的应用前景。
为了将表面等离激元应用于微波、毫米波等较低频段，人工表面等离激元被提出并用于电路设计。人工表面等离激元谐振结构具有良好的谐振特性，因此在传感器领域具有广泛应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种谐振增强的无源耦合传感结构，该传感器结构采用内外谐振环耦合的设计方式，将电磁场能量束缚在等离激元结构表面，增强模式谐振强度，具有较高品质因数、结构紧凑的小尺寸的优点。
技术方案：本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种谐振增强的无源耦合传感结构，包括两条对称分布的金属长方形块，两个对称分布的金属板，外谐振环、内谐振环，所述金属长方形块位于传感器对称的两边，与金属板一侧中央位置相连组成馈电单元，靠近但不直接接触外谐振环。外谐振环是在一个大外径正八边形外环的基础上，将外金属光栅设置在正八边形外环上，外金属光栅的一端与正八边形外环的内边接触，另一端向中央延伸，在外谐振环0°、90°、 180°、270°相位所对应的边上的外金属光栅是长方形，而在外谐振环45°、135°、 225°、315°相位所对应的边上的外金属光栅的向心末端切削为等腰直角三角形，外金属光栅的离心末端两侧添加了等腰直角三角形。内谐振环是一个在小外径正八边形内环的基础上，将内金属光栅设置在正八边形内环上，一端与正八边形内环的外边接触，另一端延伸到距离正八边形外环的内边一定距离的位置，从结构法向方向观察，内、外金属光栅相互交错排列。
进一步的，外金属光栅被设计成长度不一的金属长方形块沿正八边形外环内周周期排列组成，内金属光栅由长度相等的金属长方形块组成，沿正八边形内环外周周期性排列。
进一步的，通过改变正八边形外环、正八边形内环、外金属光栅、内金属光栅的结构参数，可以调整各个谐振模式的频点、强度和Q值，所述结构参数包括所述正八边形内外环半径、宽度，所述内、外金属光栅的宽度、长度和间距。
进一步的，位于正八边形外环不同相位对应的边上设置的外金属光栅有两种不同的设计方法，一种是长方形金属块，另一种是经过切削设计的金属块，在其向心末端经过切削形成等腰直角三角形形状，在其离心末端两侧添加等腰直角三角形金属块。
进一步的，为了保证该传感器的功能并用于实验，两个金属长方体块、两个金属板、外谐振环放置在金属层M7，内谐振环放置在金属层M6。
有益效果：本发明的有益效果为：
1、本发明的电尺寸很小，本发明在结构中部引入了相互耦合的两个的人工表面等离激元结构，表面电流的路径远远小于人工表面等离激元结构尺寸。本发明中传感器的尺寸限制在130×130um2的正方形范围内，传感器平面两点最远距离小于141um。本发明的尺寸可以达到工作波长的十二分之一。
2、本发明基于局域型人工表面等离激元结构，对电磁场的束缚能力强。
3、本发明采用八边形耦合结构，相比传统的四边形耦合结构，在相同的加工条件和制造面积上，使内、外金属光栅的排列更加紧凑，进一步加强了对局域电场的束缚能力，提高了耦合强度，通过耦合增强谐振强度，为多种工艺环境下集成化设计与应用提供了新方案。
4、本发明在高工作频率条件下具有较高品质因数。本发明的Q值分别为21.1、26.8、 24.5，对将来太赫兹、微波毫米波器件研发具有重大意义。
5、本发明结构简单，易于加工，通过等比例缩放可以工作在太赫兹、微波、毫米波频段。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的外谐振环3结构示意图；
图3是本发明的内谐振环4结构示意图；
图4是本发明的传感器散射参数S21仿真结果示意图；
图5是本发明在谐振频点偶极子、四极子和六极子的近场电场仿真结果示意图。
图中有：长方形金属块1，金属板2，外谐振环3，正八边形外环31，外金属光栅 32，向心末端33，离心末端34，内谐振环4，正八边形内环41，内金属光栅42。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，谐振增强的无源耦合传感结构，包括两条对称分布的金属长方形块1，两个对称分布的金属板2，外谐振环3、内谐振环4，所述金属长方形块1位于传感器对称的两边，与金属板2一侧中央位置相连，外谐振环3是在一个大外径正八边形外环31 的基础上，将外金属光栅32设置在正八边形外环31上，外金属光栅32的一端与正八边形外环31的内边接触，另一端延伸到距离正八边形内环41的外边一定距离的位置。内谐振环4是一个在小外径正八边形内环41的基础上，将内金属光栅42设置在正八边形内环41上，一端与正八边形内环41的外边接触，另一端延伸到距离正八边形外环31 的内边一定距离的位置，外金属光栅32、内金属光栅42相互交错排列。外金属光栅32 由长度不一的金属长方形块沿正八边形外环31内周周期排列组成，内金属光栅42由长度相等的金属长方形块组成，沿正八边形内环41外周周期性排列。
如图2所示，在外谐振环0°、90°、180°、270°相位所对应的边上的外金属光栅32是长方形，而在外谐振环45°、135°、225°、315°相位所对应的边上的外金属光栅的向心末端33切削为等腰直角三角形，外金属光栅的离心末端34两侧添加了等腰直角三角形。
如图3所示，将内金属光栅42设置在正八边形内环41上，一端与正八边形内环41的外边接触，另一端延伸到距离正八边形外环31的内边一定距离的位置。
通过改变所述正八边形外环31、内环41、外金属光栅32、内金属光栅42的结构参数，可以调整各个谐振模式的频点、强度和Q值，所述结构参数包括所述正八边形内外环半径、宽度，所述金属光栅的宽度、长度和间距。
放置在正八边形外环3和正八边形内环4上的外金属光栅32、内金属光栅42可以形成等效媒质，通过金属板2施加激励之后，可形成局域型人工表面等离激元。当传感器结构上表面电流的圆周等于表面波波长的整数倍，即2πrg＝g时，即可形成驻波，产生谐振。其中，rg为表面电流的等效半径，λg为表面波的等效波长，为正整数。
如图4所示，谐振频点从低到高分别为偶极子、四极子、六极子，谐振频点分别为184.1GHz、318.8GHz、374.6GHz；谐振强度分别为-12.057dB、-14.356dB、-16.592dB；对应Q值分别为21.1、26.8、24.5。该基于局域型人工表面等离激元的片上无源八边形耦合传感器在130×130um2的面积内，偶极子谐振频率可以达到184.1GHz，其波长压缩至十二分之一。
如图5所示，在三个谐振频点184.1GHz、318.8GHz、374.6GHz，可以观察到杂化偶极子、杂化四极子和杂化六极子谐振模式，正八边形外环31与外金属光栅32组成的外部人工表面等离激元模式和正八边形内环41、内金属光栅42组成的内部人工表面等离激元模式呈现模式相同、相位相反的杂化谐振模式，体现了人工表面等离激元的强耦合特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：该结构包括长方形金属块(1)、金属板(2)、外谐振环(3)、内谐振环(4)；所述金属板(2)有两块分别位于外谐振环(3)对称的两边；长方形金属块(1)作为50欧姆匹配微带线，共有两块，分别对称分布于两金属板(2)外侧位置并与之相连；外谐振环(3)是在一个外环的内侧连接外金属光栅(32)构成；内谐振环(4)由一个内环的外侧连接内金属光栅(42)构成；内谐振环(4)位于外谐振环(3)中，二者同平面同圆心；外金属光栅(32)与内金属光栅(42)相互交错排列，整个无源耦合传感器结构下方覆盖金属平面作为金属结构地。
2.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的无源耦合传感结构还能利用金属结构在集成电路中可堆叠的特性，充分使用设计面积，在符合半导体加工规则的基础上采用双层结构，即在第一层金属层放置内谐振环(4)，在第二层金属层放置两个金属长方体块(1)、两个金属板(2)、外谐振环(3)。
3.根据权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的内金属光栅(42)由长度相等的矩形金属块组成，沿正八边形内环(41)外周周期性排列，末端延伸到距离正八边形外环(31)一定距离的位置但不接触。
4.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述外金属光栅(32)由长度不等的矩形金属块组成，在每一条边上的矩形金属块为中间长，两边依次减短，沿正八边形外环(31)内周周期排列，朝向中心。
5.根据权利要求1所述一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述正八边形外环(31)，在不同相位对应的边上设置的外金属光栅(32)有两种不同的结构，一种是矩形金属块；另一种是经过切削设计的矩形金属块即在其向心末端(33)经过切削形成等腰直角三角形形状，在其离心末端(34)两矩形金属块之间为经过切削形成等腰直角三角形形状。
6.如权利要求4所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的外谐振环(3)，在0°、90°、180°、270°相位所对应的边上的外金属光栅(32)是矩形，而在外谐振环(3)45°、135°、225°、315°相位所对应的边上的外金属光栅(32)的向心末端(33)切削为等腰直角三角形，金属光栅的离心末端(34)两矩形金属块之间为经过切削形成等腰直角三角形形状。
7.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的正八边形外环(31)、正八边形内环(41)，改变其半径、宽度的结构参数，能调整各个谐振模式的频点、强度和Q值。
8.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的外金属光栅(32)、内金属光栅(42)，通过改变其宽度、长度和间距的结构参数，能调整各个谐振模式的频点、强度和Q值。
9.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述金属板(2)有两块分别位于外谐振环(3)对称的两边，二者靠近但不相连。
10.如权利要求1所述的一种谐振增强的无源耦合传感结构，其特征在于：所述的外谐振环(3)是一个正八边形外环，内谐振环(4)是一个正八边形内环。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115064858A (zh) * 2022-08-18 2022-09-16 东南大学 相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109443551A (zh) * 2018-09-19 2019-03-08 天津大学 基于加载电阻的多频超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计
CN110854522A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 吉林医药学院 加载八边形互补开口谐振环的植入式小型圆极化天线
CN210535829U (zh) * 2019-05-08 2020-05-15 南京邮电大学 一种基于多层结构的环形超材料吸波器
CN210576431U (zh) * 2019-11-27 2020-05-19 吉林医药学院 加载八边形互补开口谐振环的植入式小型圆极化天线
CN113991315A (zh) * 2021-12-27 2022-01-28 东南大学 一种基于人工表面等离激元的片上四边形谐振器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109443551A (zh) * 2018-09-19 2019-03-08 天津大学 基于加载电阻的多频超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计
CN210535829U (zh) * 2019-05-08 2020-05-15 南京邮电大学 一种基于多层结构的环形超材料吸波器
CN110854522A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 吉林医药学院 加载八边形互补开口谐振环的植入式小型圆极化天线
CN210576431U (zh) * 2019-11-27 2020-05-19 吉林医药学院 加载八边形互补开口谐振环的植入式小型圆极化天线
CN113991315A (zh) * 2021-12-27 2022-01-28 东南大学 一种基于人工表面等离激元的片上四边形谐振器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115064858A (zh) * 2022-08-18 2022-09-16 东南大学 相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构

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