(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】W. Withayachumnankul et al., "Metamaterial-based microfluidic sensor for dielectric characterization", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 189, pp. 233-237, 2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２Ａ】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。
【図２Ｂ】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。
【図２Ｃ】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】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。
【図６Ａ】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。
【図６Ｂ】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。
【図６Ｃ】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。
【図６Ｄ】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。
【図７Ａ】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。
【図７Ｂ】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【数１】
2019100837.tif 000003
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【数２】
2019100837.tif 000004
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
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。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2019100837.tif 000007
【図２Ｃ】
2019100837.tif 000008
【図３】
2019100837.tif 000009
【図４】
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【図５Ａ】
2019100837.tif 000011
【図５Ｂ】
2019100837.tif 000012
【図６Ａ】
2019100837.tif 000013
【図６Ｂ】
2019100837.tif 000014
【図６Ｃ】
2019100837.tif 000015
【図６Ｄ】
2019100837.tif 000016
【図７Ａ】
2019100837.tif 000017
【図７Ｂ】
2019100837.tif 000018
【図８】
2019100837.tif 000019