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JP2019100837A - Sensing device - Google Patents

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JP2019100837A
JP2019100837A JP2017231492A JP2017231492A JP2019100837A JP 2019100837 A JP2019100837 A JP 2019100837A JP 2017231492 A JP2017231492 A JP 2017231492A JP 2017231492 A JP2017231492 A JP 2017231492A JP 2019100837 A JP2019100837 A JP 2019100837A
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split ring
ring resonator
variable
inductance
wiring pattern
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Japanese (ja)
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大祐 来山
Daisuke Kitayama
大祐 来山
昌人 中村
Masato Nakamura
昌人 中村
秀之 野坂
Hideyuki Nosaka
秀之 野坂
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

To provide a sensing device using a split ring resonator capable of increasing detectable bandwidth.SOLUTION: The sensing device includes a split ring resonator 101, a transmission line 103, and a sensing area 104. The sensing device is constituted of the split ring resonator 101 and the transmission line 103. An inductance variable part 105 is disposed on a wiring pattern of the split ring resonator 101. The inductance variable part 105 is made of a material having a relative permeability of 1 or more. The inductance variable part 105 is configured so that the distance from the wiring pattern is changeable.SELECTED DRAWING: Figure 1

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装置に関する。   The present invention relates to a sensing device for sensing dielectric characteristics of a dielectric.

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。   In recent years, there has been proposed a technique for sensing the dielectric characteristics of a dielectric with high sensitivity by a structure in which a split ring resonator often used in metamaterials and a transmission line are coupled. The split ring resonator is composed of a ring-shaped metal pattern having a gap in part. In the split ring resonator, a ring-shaped metal pattern (hereinafter sometimes referred to as "ring portion") functions as an inductive component L, and a metal pattern facing each other across a gap functions as a capacitive component C. The split ring resonator has an LC resonant mode in which a circular current is excited in the ring portion and an electric field is concentrated in the gap. In metamaterial devices, generally, the resonance mode described above is used to realize the metamaterial-specific phenomenon.

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8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。   In the sensing application of metamaterials, by forming the split ring resonator finely, the electric field can be concentrated in a very small area compared to the wavelength, so the dielectric characteristics of the dielectric are sensed in the gap of the split ring resonator Technology is being studied. For example, Non-Patent Document 1 discloses a configuration shown in FIG. In this structure, the transmission line 503 is disposed on the opposite side of the gap 502 of the split ring resonator 501, and the transmission line 503 is electromagnetically coupled to the split ring resonator 501. Further, a channel 521 is provided in the vicinity of the gap 502 of the split ring resonator 501, a liquid to be sensed is introduced into the channel 521, and this is an area for sensing the dielectric characteristics of the introduced liquid.

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。   In this sensing element, a signal matching the LC resonant frequency of the split ring resonator 501 is made to flow through the transmission line 503, the electric field is concentrated in the gap 502 of the split ring resonator 501, and the dielectric characteristics of the liquid are sensed with high sensitivity. There is. The split ring resonator 501 and the transmission line 503 are formed on the substrate 511. In addition, a microstrip line is configured by the transmission line 503 and the metal layer 506 formed on the back surface of the substrate 511 (except for the region with respect to the split ring resonator 501 and the vicinity thereof).

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

しかしながら、前述した従来の技術では、電界が局所的に集中する共振器の共振周波数のみで感度が向上するため、広帯域なスペクトル情報を高感度に検出することができないという問題があった。   However, in the above-described prior art, the sensitivity is improved only at the resonance frequency of the resonator where the electric field is concentrated locally, so that there is a problem that broadband spectral information can not be detected with high sensitivity.

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検出可能な帯域をより広くすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to widen the detectable band in a sensing element using a split ring resonator.

本発明に係るセンシング装置は、基板の上に形成された、平面視多角形に形成された配線パターンを有して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、配線パターンの上に配置された比透磁率が1以上の材料から構成されたインダクタンス可変部とを備え、配線パターンとインダクタンス可変部との距離は、変更可能とされている。   A sensing device according to the present invention includes a split ring resonator formed of a metal pattern having a wiring pattern formed in a polygon in a plan view and having a gap in part, and a split ring resonator formed on a substrate A wiring pattern electromagnetically coupled to the sensor, a sensing region for detecting a dielectric characteristic, and an inductance variable portion formed of a material having a relative permeability of 1 or more disposed on the wiring pattern; The distance between and the variable inductance portion is made changeable.

上記センシング装置において、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更する可変機構を更に備える。   The sensing device further includes a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion.

上記センシング装置において、可変機構は、基板の平面の法線方向にインダクタンス可変部を移動させることで、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更するようにしてもよい。この場合、可変機構は、基板の両面の各々で、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更するようにしてもよい。   In the sensing device, the variable mechanism may change the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion by moving the inductance variable portion in the normal direction of the plane of the substrate. In this case, the variable mechanism may change the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion on each of both sides of the substrate.

上記センシング装置において、可変機構は、基板の平面に平行な方向にインダクタンス可変部を移動させることで、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更するようにしてもよい。   In the above sensing device, the variable mechanism may change the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion by moving the inductance variable portion in a direction parallel to the plane of the substrate.

以上説明したように、本発明によれば、分割リング共振器の配線パターンとの距離を変更可能とした、比透磁率が1以上の材料から構成したインダクタンス可変部を備えるようにしたので、分割リング共振器を用いたセンシング装置における検出可能な帯域をより広くできるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the variable inductance portion made of a material having a relative permeability of 1 or more is provided, which allows the distance from the wiring pattern of the split ring resonator to be changed. The excellent effect is obtained that the detectable band in the sensing device using the ring resonator can be broadened.

図1は、本発明の実施の形態におけるセンシング装置の構成を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a sensing device according to an embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の実施の形態におけるセンシング装置の構成を示す断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing a configuration of a sensing device according to an embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の実施の形態におけるセンシング装置の構成を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the configuration of the sensing device in the embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の実施の形態におけるセンシング装置の構成を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view showing the configuration of the sensing device in the embodiment of the present invention. 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、インダクタンス可変部105と配線パターンとの距離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。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the result of analyzing the dependence of the resonance peak intensity in the split ring resonator 101 and the transmission line 103 on the distance between the inductance variable portion 105 and the wiring pattern by electromagnetic field simulation. 図4は、分割リング共振器101の共振周波数の変更方法を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a method of changing the resonance frequency of the split ring resonator 101. As shown in FIG. 図5Aは、容量成分を可変として比誘電率がε1の誘電体、および比誘電率がε2の誘電体(ε1<ε2)をセンシングした場合の結果を示す特性図である。FIG. 5A is a characteristic diagram showing a result of sensing a dielectric whose relative dielectric constant is ε 1 and a dielectric whose relative dielectric constant is ε 212 ) with variable capacitance component. 図5Bは、インダクタンス成分Lを可変として比誘電率がε1の誘電体、および比誘電率がε2の誘電体(ε1<ε2)をセンシングした場合の結果を示す特性図である。FIG. 5B is a characteristic diagram showing a result in the case of sensing a dielectric whose relative dielectric constant is ε 1 and a dielectric whose relative dielectric constant is ε 212 ) with variable inductance component L. 図6Aは、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更する可変機構の構成を示す構成図である。FIG. 6A is a configuration diagram showing a configuration of a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion. 図6Bは、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更する可変機構の構成を示す構成図である。FIG. 6B is a configuration diagram showing a configuration of a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion. 図6Cは、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更する可変機構の構成を示す構成図である。FIG. 6C is a configuration diagram showing a configuration of a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion. 図6Dは、配線パターンとインダクタンス可変部との距離を変更する可変機構の構成を示す構成図である。FIG. 6D is a configuration diagram showing a configuration of a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion. 図7Aは、本発明の実施の形態におけるセンシング装置を構成するセンシング素子の他の構成を示す平面図である。FIG. 7A is a plan view showing another configuration of the sensing element constituting the sensing device in the embodiment of the present invention. 図7Bは、本発明の実施の形態におけるセンシング装置を構成するセンシング素子の他の構成を示す平面図である。FIG. 7B is a plan view showing another configuration of the sensing element constituting the sensing device in the embodiment of the present invention. 図8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。FIG. 8 is a plan view showing a partial configuration of a conventional sensing element using the split ring resonator 501. As shown in FIG.

以下、本発明の実施の形態おけるセンシング装置について図1を参照して説明する。このセンシング装置は、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、伝送線路103により、センシング素子が構成されている。   Hereinafter, a sensing device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The sensing device includes a split ring resonator 101, a transmission line 103, and a sensing area 104. The split ring resonator 101 and the transmission line 103 constitute a sensing element.

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(リング部)を有する。ギャップは102、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。   The split ring resonator 101 is formed on a substrate 111. The substrate 111 may be made of a dielectric (insulator). Further, the split ring resonator 101 is formed of a metal pattern having a gap 102 in part. The split ring resonator 101 has a wiring pattern (ring portion) formed in a polygon in plan view. The gap 102 is formed on one of a plurality of sides of the polygon formed by the wiring pattern. The transmission line 103 is electromagnetically coupled to the split ring resonator 101. The sensing area 104 is an area for detecting dielectric characteristics.

また、実施の形態におけるセンシング装置は、分割リング共振器101の配線パターンの上に、インダクタンス可変部105を配置している。インダクタンス可変部105は、比透磁率が1以上の材料から構成されている。また、インダクタンス可変部105は、配線パターンとの距離を変更可能とされている。   Further, in the sensing device in the embodiment, the inductance variable unit 105 is disposed on the wiring pattern of the split ring resonator 101. The inductance variable portion 105 is made of a material having a relative permeability of 1 or more. Further, the inductance variable portion 105 can change the distance to the wiring pattern.

また、実施の形態におけるセンシング装置は、図2A,図2B,図2C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。   In addition, as shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C, the sensing device according to the embodiment includes the transmission line 103 and a metal layer 106 for forming a microstrip line on the back surface of the substrate 111. FIG. 2A shows a cross section taken along line aa 'of FIG. Further, FIG. 2B shows a cross section taken along line bb 'of FIG. Further, FIG. 2C shows a cross section along the line cc 'in FIG.

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。   Further, in this example, the metal layer 106 is not formed on the region where the split ring resonator 101 is disposed and the back surface in the vicinity thereof in plan view. With this configuration, in the sensing region 104, even on the back surface side of the substrate 111, sensing of the target liquid becomes possible.

なお、このセンシング装置においては、センシング領域104のギャップ102の上部に、ここを通過する流路を備えることで、この流路にセンシング対象の液体を送液することができる。   In this sensing device, by providing a flow path passing through the upper part of the gap 102 of the sensing area 104, it is possible to send the liquid to be sensed to the flow path.

次に、上述した実施の形態におけるセンシング装置を構成するセンシング素子の伝送線路透過特性について、シミュレーションを実施した結果について、図3を用いて説明する。まず、図1に示す各部の寸法は、A=1.8mm,B=2.5mm,m=3mm,s=0.08mm,w=0.08mm,g=0.8mmとした。また、インダクタンス可変部105の各寸法は、Mx=0.8mm,My=0.7mm,Mz=1.5mmとした。また、インダクタンス可変部105は、比透磁率が200、比誘電率が1の磁性体から構成した。   Next, the transmission line transmission characteristics of the sensing element constituting the sensing device in the above-described embodiment will be described using FIG. 3 as a result of simulation. First, the dimensions of each part shown in FIG. 1 were A = 1.8 mm, B = 2.5 mm, m = 3 mm, s = 0.08 mm, w = 0.08 mm, g = 0.8 mm. The dimensions of the inductance variable portion 105 were Mx = 0.8 mm, My = 0.7 mm, and Mz = 1.5 mm. Moreover, the inductance variable part 105 was comprised from the magnetic body whose relative magnetic permeability is 200 and a relative dielectric constant is one.

図3において、グラフ中の数字は、インダクタンス可変部105と配線パターンとの距離を示している。図3に示されているように、インダクタンス可変部105は、配線パターンとの距離によって、分割リング共振器101の共振周波数が変化する。   In FIG. 3, the numbers in the graph indicate the distance between the inductance variable unit 105 and the wiring pattern. As shown in FIG. 3, the inductance variable unit 105 changes the resonant frequency of the split ring resonator 101 depending on the distance from the wiring pattern.

次に、分割リング共振器101の共振周波数の変更方法について図4を参照して説明する。分割リング共振器101の共振周波数frは、分割リング共振器101の容量成分Cとインダクタンス成分Lとで決定されるLC共振周波数で決定する。この中で、図4(a)に示すように、可変容量デバイス(不図示)をギャップ102に接続して容量成分Cを可変とする方法が、共振周波数の変更方法として考えられる。また、図4(b)に示すように、分割リング共振器101の配線パターンの部分のインダクタンス成分Lを可変とする方法が、共振周波数の変更方法として考えられる。 Next, a method of changing the resonance frequency of the split ring resonator 101 will be described with reference to FIG. The resonant frequency fr of the split ring resonator 101 is determined by the LC resonant frequency determined by the capacitance component C and the inductance component L of the split ring resonator 101. Among them, as shown in FIG. 4A, a method of connecting a variable capacitance device (not shown) to the gap 102 to make the capacitance component C variable is considered as a method of changing the resonance frequency. Further, as shown in FIG. 4B, a method of making the inductance component L of the portion of the wiring pattern of the split ring resonator 101 variable is considered as a method of changing the resonance frequency.

ここで、センシング領域104は、共振時に電界が集中するギャップ102である。これは、センシング領域104に配置されるセンシング対象の誘電特性を共振器のギャップ102容量の変化として観測することを意味している。容量成分を制御する場合、センシング対象物の誘電特性および寸法と、ギャップ102の寸法(間隔)によって決定される容量をCi、可変容量デバイスの容量をCvとすると、分割リング共振器101の共振周波数frは、以下の式(1)で示されるものとなる。 Here, the sensing region 104 is a gap 102 in which an electric field is concentrated at the time of resonance. This means that the dielectric characteristic of the sensing target disposed in the sensing region 104 is observed as a change in the gap 102 capacity of the resonator. When controlling the capacitive component, let C i be the capacitance determined by the dielectric characteristics and dimensions of the sensing object and the dimension (spacing) of the gap 102, and C v be the capacitance of the variable capacitance device. The resonant frequency f r is represented by the following equation (1).

Figure 2019100837
Figure 2019100837

これは、可変容量デバイスの容量CvがCiに比べて大きい場合に、Cvの値が支配的となって共振周波数frが決定され、Ciの値に依存しなくなることを意味する。図5Aに示すように、比誘電率がε1の誘電体、および比誘電率がε2の誘電体(ε1<ε2)をセンシングする場合、Cvが大きい領域では、両者のfrの差(相関)が小さくなり、感度が劣化する。このように、Cvが大きくなると、センシング対象の誘電特性によって決定されるCiと共振周波数frとの相関が減少するため、可変容量Cvによって共振周波数frを変化させる方法は、センシングの感度を劣化させてしまう。 This means that when the capacitance C v of the variable capacitance device is large compared to C i , the value of C v becomes dominant to determine the resonant frequency f r and not depend on the value of C i . As shown in FIG. 5A, in the case of sensing a dielectric having a relative permittivity of ε 1 and a dielectric having a relative permittivity of ε 212 ), in the region where C v is large, both f r Difference (correlation) becomes smaller and the sensitivity is degraded. Thus, the C v increases, the correlation between C i which is determined by the dielectric properties of the sensing target resonance frequency f r is decreased, a method of changing the resonant frequency f r by a variable capacitance C v, the sensing Degrade the sensitivity of the

これに対し、インダクタンス成分Lを変化させることで共振周波数frを変化させる場合、分割リング共振器101の共振周波数frは、以下の式(2)で示されるものとなる。 On the other hand, when the resonance frequency fr is changed by changing the inductance component L, the resonance frequency fr of the split ring resonator 101 is expressed by the following equation (2).

Figure 2019100837
Figure 2019100837

この場合、Ciがセンシング対象の誘電特性によって変化すると、インダクタンス成分Lの値によらず、共振周波数frも変化する。図5Bに示すように、比誘電率がε1の誘電体、および比誘電率がε2の誘電体をセンシングする場合、Lが大きい領域でも、両者のfrの差(相関)は変化しない。つまり、インダクタンス成分Lの変化により共振周波数frを変化させる方法は、センシングの感度を劣化させない。このように、分割リング共振器101の共振周波数を変化させて(掃引して)高感度なセンシングを広帯域に実施する場合、周波数の変更(掃引)は、インダクタンス成分Lの変化により実現される方法が良いことが分かる。 In this case, when C i changes according to the dielectric characteristic of the sensing target, the resonance frequency f r also changes regardless of the value of the inductance component L. As shown in Figure 5B, the dielectric having a relative dielectric constant of epsilon 1, and if the relative dielectric constant sensing epsilon 2 of the dielectric, at L is large area, the difference of both f r (correlation) is not changed . That is, the method of changing the resonance frequency f r by the change of the inductance component L does not deteriorate the sensitivity of sensing. As described above, when high sensitivity sensing is performed over a wide band by changing (sweeping) the resonant frequency of the split ring resonator 101, a method of changing the frequency (sweeping) is realized by changing the inductance component L I understand that is good.

次に、インダクタンス成分の変更について説明する。インダクタンス成分の制御には、分割リング共振器101のリング部(配線パターン)にスイッチなどを導入し、LC共振時に誘起される周回電流の経路長を切り替える方法が考えられる。しかしながら、この方法では、Lの変化が離散的になってしまい、センシングのスペクトル情報も離散的となる。   Next, the change of the inductance component will be described. In order to control the inductance component, a switch or the like may be introduced to the ring portion (wiring pattern) of the split ring resonator 101 to switch the path length of the circulating current induced at the time of LC resonance. However, in this method, changes in L become discrete, and the spectral information of sensing also becomes discrete.

これに対し、実施の形態では、配線パターンとインダクタンス可変部105との距離を変更することで、インダクタンス成分を連続的に制御する。例えば、可変機構を用いて、配線パターンとインダクタンス可変部105との距離(相対距離)を変更すればよい。   On the other hand, in the embodiment, the inductance component is continuously controlled by changing the distance between the wiring pattern and the inductance variable portion 105. For example, the distance (relative distance) between the wiring pattern and the inductance variable portion 105 may be changed using a variable mechanism.

例えば、図6Aに示す可変機構を用いればよい。この可変機構は、支持台201と、ボールネジを用いた昇降機構202と、昇降機構202により昇降するテーブル203とを備える。また、センシング素子を固定する固定部204が、昇降機構202を利用して支持台201の上に離間して支持固定されている。テーブル203を昇降機構202により昇降させることで、分割リング共振器101の配線パターンと、テーブル203に固定されたインダクタンス可変部105との距離が連続的に変更できる。   For example, the variable mechanism shown in FIG. 6A may be used. The variable mechanism includes a support base 201, a lifting and lowering mechanism 202 using a ball screw, and a table 203 which is lifted and lowered by the lifting and lowering mechanism 202. In addition, a fixing portion 204 for fixing the sensing element is supported on and fixed to the support base 201 at a distance using the elevating mechanism 202. By raising and lowering the table 203 by the raising and lowering mechanism 202, the distance between the wiring pattern of the split ring resonator 101 and the inductance variable portion 105 fixed to the table 203 can be changed continuously.

また、図6Bに示す可変機構を用いればよい。この可変機構は、支持台201と、ボールネジを用いた昇降機構202と、昇降機構202により昇降するテーブル203とを備える。また、センシング素子は、支持台201に固定される。テーブル203を昇降機構202により昇降させることで、分割リング共振器101の配線パターンと、テーブル203に固定されたインダクタンス可変部105との距離が連続的に変更できる。   Also, the variable mechanism shown in FIG. 6B may be used. The variable mechanism includes a support base 201, a lifting and lowering mechanism 202 using a ball screw, and a table 203 which is lifted and lowered by the lifting and lowering mechanism 202. In addition, the sensing element is fixed to the support 201. By raising and lowering the table 203 by the raising and lowering mechanism 202, the distance between the wiring pattern of the split ring resonator 101 and the inductance variable portion 105 fixed to the table 203 can be changed continuously.

例えば、図6Cに示す可変機構を用いてもよい。この可変機構は、支持台201と、ボールネジを用いた昇降機構202a,202bと、昇降機構202a,202bにより昇降するテーブル203a,203bとを備える。センシング素子を固定する固定部204が、昇降機構202aを利用して支持台201の上に離間して支持固定されている。   For example, the variable mechanism shown in FIG. 6C may be used. The variable mechanism includes a support base 201, lifting mechanisms 202a and 202b using ball screws, and tables 203a and 203b which are lifted and lowered by the lifting mechanisms 202a and 202b. A fixing portion 204 for fixing the sensing element is supported on and fixed to the support base 201 at a distance using the elevation mechanism 202a.

この可変機構では、固定部204の支持台201側(下側)において、テーブル203aを昇降機構202aにより昇降させることで、分割リング共振器101の配線パターンと、テーブル203aに固定されたインダクタンス可変部105aとの距離が連続的に変更できる。   In this variable mechanism, the wiring pattern of the split ring resonator 101 and the inductance variable portion fixed to the table 203a by raising and lowering the table 203a by the raising and lowering mechanism 202a on the support table 201 side (lower side) of the fixed unit 204 The distance to 105a can be changed continuously.

また、この可変機構では、固定部204の上側において、テーブル203bを昇降機構202bにより昇降させることで、分割リング共振器101の配線パターンと、テーブル203bに固定されたインダクタンス可変部105bとの距離が連続的に変更できる。このように、センシング素子の表面側および裏面側の両方においてインダクタンス可変部と配線パターンとの距離を変化させることで、一方のみで変化させる場合に比較し、共振周波数の掃引範囲が大きくなる。   Further, in this variable mechanism, the distance between the wiring pattern of the split ring resonator 101 and the inductance variable portion 105b fixed to the table 203b can be increased by moving the table 203b up and down by the lift mechanism 202b above the fixed portion 204. It can change continuously. As described above, by changing the distance between the inductance variable portion and the wiring pattern on both the front surface side and the back surface side of the sensing element, the sweep range of the resonance frequency is increased as compared with the case where it is changed with only one.

また、図6Dに示す可変機構を用いてもよい。この可変機構は、支持構造体205と、ボールネジを用いた移動機構206と、移動機構206により移動するテーブル207とを備える。移動機構206は、支持構造体205の上面(下面)の平面に平行な方向にテーブル207を移動させる。移動機構206は、例えば、図6Dの紙面左右方向に、テーブル207を移動させる。また、センシング素子は、支持構造体205の上面に固定されている。   Also, a variable mechanism shown in FIG. 6D may be used. The variable mechanism includes a support structure 205, a moving mechanism 206 using a ball screw, and a table 207 moved by the moving mechanism 206. The moving mechanism 206 moves the table 207 in a direction parallel to the plane of the upper surface (lower surface) of the support structure 205. The moving mechanism 206 moves the table 207, for example, in the left-right direction on the paper surface of FIG. 6D. In addition, the sensing element is fixed to the upper surface of the support structure 205.

この可変機構では、テーブル207を移動機構206により移動させることで、センシング素子の基板111平面に対し、インダクタンス可変部105が平行に移動する。このようにインダクタンス可変部105を移動させることで、分割リング共振器101の配線パターンと、テーブル203に固定されたインダクタンス可変部105との距離を連続的に変更してもよい。   In this variable mechanism, by moving the table 207 by the moving mechanism 206, the inductance variable unit 105 moves in parallel with the plane of the substrate 111 of the sensing element. By moving the inductance variable portion 105 in this manner, the distance between the wiring pattern of the split ring resonator 101 and the inductance variable portion 105 fixed to the table 203 may be continuously changed.

なお、図7Aに示すように、基板311の上に、1つのギャップ302を共通とする2つの分割リング共振器301a、分割リング共振器301bを備えるようにしてもよい。伝送線路303は、分割リング共振器301a、分割リング共振器301bの周囲を囲うように形成する。なお、基板311の裏面には、金属層306が形成されている。金属層306は、平面視で、分割リング共振器301a、分割リング共振器301bの配置領域には、形成されていない。   As shown in FIG. 7A, two split ring resonators 301a and 301b having a single gap 302 in common may be provided on the substrate 311. The transmission line 303 is formed to surround the division ring resonator 301 a and the division ring resonator 301 b. A metal layer 306 is formed on the back surface of the substrate 311. The metal layer 306 is not formed in the arrangement region of the split ring resonator 301 a and the split ring resonator 301 b in plan view.

また、図7Bに示すように、基板411の上に、1つの伝送線路403を共通とする2つの分割リング共振器401a、分割リング共振器401bを備えるようにしてもよい。この場合、分割リング共振器401aにギャップ402aが形成され、分割リング共振器401bにギャップ402bが形成されている。また、基板411の裏面には、金属層406が形成されている。   Further, as shown in FIG. 7B, two split ring resonators 401a and 401b may be provided on the substrate 411, with one transmission line 403 in common. In this case, a gap 402a is formed in the split ring resonator 401a, and a gap 402b is formed in the split ring resonator 401b. In addition, on the back surface of the substrate 411, a metal layer 406 is formed.

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、基板の表面に、分割リング共振器が形成され、基板の裏面(分割リング共振器が配置されている面の反対側の面)に伝送線路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、分割リング共振器と伝送線路とが重なる領域を形成することができる。この場合、伝送線路に対し、他基板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を形成すればよい。他基板は、誘電体(絶縁体)から構成されていればよい。   Further, the split ring resonator and the transmission line (delay line) do not have to be formed in the same plane. For example, the split ring resonator may be formed on the front surface of the substrate, and the transmission line may be formed on the back surface of the substrate (the surface opposite to the surface on which the split ring resonator is disposed). With this configuration, it is possible to form a region where the split ring resonator and the transmission line overlap in plan view. In this case, a metal layer for forming a microstrip line may be formed on the transmission line via another substrate. The other substrate may be made of a dielectric (insulator).

また、金属層は、平面視で分割リング共振器の配置領域に形成してもよく、平面視で分割リング共振器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。   Further, the metal layer may be formed in the arrangement region of the split ring resonator in plan view, and may not be formed in the arrangement region of the split ring resonator in plan view. In addition, the substrate is composed of a multilayer substrate consisting of a plurality of dielectric layers and metal wiring layers, the split ring resonator is formed on any metal wiring layer of the multilayer substrate, and the metal wires constituting the transmission line are You may form in another metal wiring layer different from the metal wiring layer in which the split ring resonator is formed.

以上に説明したように、本発明によれば、分割リング共振器の配線パターンとの距離を変更可能とした、比透磁率が1以上の材料から構成したインダクタンス可変部を備えるようにしたので、分割リング共振器を用いたセンシング装置における検出可能な帯域をより広くできるようになる。   As described above, according to the present invention, since the variable inductance portion made of a material having a relative permeability of 1 or more is provided, which can change the distance to the wiring pattern of the split ring resonator. This makes it possible to widen the detectable band in a sensing device using a split ring resonator.

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、5角形、6角形としてもよい。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear. For example, in the above description, the wiring structure of the split ring resonator is rectangular in plan view, but the present invention is not limited to this. For example, the wiring structure of the split ring resonator may be triangular, pentagonal or hexagonal in plan view.

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…インダクタンス可変部、106…金属層、111…基板。   101: split ring resonator, 102: gap, 103: transmission line, 104: sensing region, 105: inductance variable part, 106: metal layer, 111: substrate.

Claims (5)

基板の上に形成された、平面視多角形に形成された配線パターンを有して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、
前記配線パターンの上に配置された比透磁率が1以上の材料から構成されたインダクタンス可変部と
を備え、
前記配線パターンと前記インダクタンス可変部との距離は、変更可能とされていることを特徴とするセンシング装置。
A split ring resonator formed of a metal pattern having a gap in part and having a wiring pattern formed in a polygon in plan view, formed on a substrate;
A transmission line electromagnetically coupled to the split ring resonator;
A sensing region for detecting dielectric characteristics;
And an inductance variable portion formed of a material having a relative permeability of 1 or more disposed on the wiring pattern,
A distance between the wiring pattern and the variable inductance portion is changeable.
請求項1記載のセンシング装置において、
前記配線パターンと前記インダクタンス可変部との距離を変更する可変機構を更に備えることを特徴とするセンシング装置。
In the sensing device according to claim 1,
A sensing device further comprising a variable mechanism that changes the distance between the wiring pattern and the variable inductance portion.
請求項2記載のセンシング装置において、
前記可変機構は、前記基板の平面の法線方向に前記インダクタンス可変部を移動させることで、前記配線パターンと前記インダクタンス可変部との距離を変更することを特徴とするセンシング装置。
In the sensing device according to claim 2,
A sensing device, wherein the variable mechanism changes a distance between the wiring pattern and the inductance variable portion by moving the inductance variable portion in a direction normal to a plane of the substrate.
請求項3記載のセンシング装置において、
前記可変機構は、前記基板の両面の各々で、前記配線パターンと前記インダクタンス可変部との距離を変更することを特徴とするセンシング装置。
In the sensing device according to claim 3,
The sensing device, wherein the variable mechanism changes a distance between the wiring pattern and the variable inductance portion on each of both sides of the substrate.
請求項2記載のセンシング装置において、
前記可変機構は、前記基板の平面に平行な方向に前記インダクタンス可変部を移動させることで、前記配線パターンと前記インダクタンス可変部との距離を変更することを特徴とするセンシング装置。
In the sensing device according to claim 2,
The sensing device, wherein the variable mechanism changes a distance between the wiring pattern and the inductance variable portion by moving the inductance variable portion in a direction parallel to a plane of the substrate.
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