[发明专利]一种基于人工表面等离激元的片上谐振式传感器

说明书

本发明提供一种基于人工表面等离激元的片上谐振式传感器，该传感器金属圆环（1）位于所述传感器的中部，在金属圆环（1）内侧设置有金属光栅（2），金属光栅（2）内端通过梯形连接金属块（3）两两连接在一起；在金属圆环（1）外的左右两侧对称分布有馈电金属弧（4），馈电金属弧（4）通过五十欧姆微带线（5）与信号焊盘（6）连接；第一接地焊盘（7）和第二接地焊盘（8）分别位于信号焊盘（6）的两旁并穿过光刻胶（9）、衬底（10）与金属层（11）连接。该传感器品质因数高，对周围环境敏感，通过等比例缩放人工表面等离激元结构可将工作频率扩展到微波、毫米波以及太赫兹频段。

技术领域

本发明是一种片上传感器，特别是一种基于人工表面等离激元的片上谐振式传器，属于微电子集成电路器件制造的技术领域。

背景技术

随着科技的高速发展，高性能芯片需求激增。而制约集成电路集成度提高、损耗降低、串扰降低等性能提高的一个重要因素在于无源微波集成电路器件，无源微波器件作为必不可少的芯片组件，往往占据了大多数的面积，无源微波集成电路的小型化设计、结构创新和性能提高迫在眉睫。

表面等离激元是一种存在于金属与介质分界面的电磁振荡模式，对电磁场具有强的束缚性，可以有效降低电路串扰，压缩工作波长，且具有高频截至的优良特性。为在更低的频段内实现表面等离激元的优良特性，人工表面等离激元被提出并验证成功，通过设计特定尺寸的单元结构，通过不同排列方式可以模拟出表面等离激元的传输或谐振特性，在高性能传输线、耦合器、功分器、滤波器、谐振器、传感器等器件设计中具有巨大的应用潜力，有利于改善传播效率、提高电路集成度、实现高性能传感检测。

人工表面等离激元因其优异的电磁性能，在半导体集成电路领域具有广泛的应用前景，有望打破传统微波集成电路高频性能下降严重的缺陷，将芯片做到更高频率、更小型化、更高性能，在通信领域、量子计算领域、医疗检测领域等领域中发挥巨大的作用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有高品质因数和高灵敏度的基于人工表面等离激元的片上谐振式传感器，该传感器采用传统人工局域表面等离激元光栅开孔耦合的理念，利用微带线和微带耦合枝节进行馈电，将人工局域表面等离激元结构应用在砷化镓、磷化铟等半导体工艺中，实现小型化、易于集成、高Q值、高灵敏度的高频片上传感器。

技术方案：本发明的一种基于人工表面等离激元的片上谐振式传感器包括金属圆环、金属光栅、梯形连接金属块、馈电金属弧、五十欧姆微带线、信号焊盘、第一接地焊盘和第二接地焊盘、光刻胶、衬底和金属层；其中，金属圆环位于所述传感器的中部，在金属圆环内侧设置有金属光栅，金属光栅的外端与金属圆环内侧连接，金属光栅内端通过梯形连接金属块两两连接在一起；在金属圆环外的左右两侧对称分布有馈电金属弧，馈电金属弧通过五十欧姆微带线与信号焊盘连接；第一接地焊盘和第二接地焊盘分别位于信号焊盘的两旁并穿过光刻胶、衬底与金属层连接；

在层面结构上，金属圆环、金属光栅、梯形连接金属块、馈电金属弧、五十欧姆微带线、信号焊盘设置在光刻胶上部，光刻胶下部设置有衬底，衬底下部设置有金属层，金属层作为覆盖整个结构背面的金属结构地。

所述金属光栅的内端向圆心方向延伸，沿金属圆环的内圆周呈周期排列。

所述梯形连接金属块间隔连接在相邻的两个金属光栅之间，将两个相邻的金属光栅的内端连接起来，使得在金属圆环内测、相邻的两个金属光栅、梯形连接金属块之间形成一个梯形孔。

所述馈电金属弧位于金属圆环外侧且留有一段空隙，馈电金属弧的圆弧与金属圆环的外圆周对应。

所述馈电金属弧外侧的五十欧姆微带线，其长度方向沿金属圆环直径方向设置。

所述金属圆环、金属光栅和梯形连接金属块，通过缩小金属圆环的直径、减小金属光栅的长度，使得谐振频率增加；通过增大金属圆环、金属光栅和梯形连接金属块之间的梯形孔面积，提高谐振强度与谐振Q值。