基于人工局域表面等离激元的液晶微波介电常数测量传感器

李若舟; 吴哲元; 杨铭清; 屈科; 于映; 严静

doi:doi:10.37188/CJLCD.2022-0378

液晶与显示, 2023, 38 (4): 471, 网络出版: 2023-04-25

基于人工局域表面等离激元的液晶微波介电常数测量传感器

Liquid crystal microwave dielectric constant measurement sensor based on spoof localized surface plasmon

李若舟 ^1,2,*吴哲元 ¹杨铭清 ¹屈科 ³于映 ^1,2严静 ^3,**

作者单位

¹ 南京邮电大学集成电路科学与工程学院，江苏南京 210023

² 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏南京 210023

³ 南京邮电大学电子与光学工程学院，江苏南京 210023

图 & 表

图 1. （a）传感器结构示意图；（b）环形谐振器图案示意图；（c）馈线示意图。

Fig. 1. （a）Schematic diagram of the sensor structure；（b）Schematic diagram of the ring resonators pattern；（c）Schematic diagram of the feedline.

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图 2. （a）器件回波损耗S₁₁仿真结果；（b）谐振频率为谐振频点时微波信号的电场分布情况。

Fig. 2. （a）Simulation result of S₁₁ of the device；（b）Electric field distributions of the microwave signal at the resonance frequency points.

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图 3. 液晶层厚度对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

Fig. 3. Effect of the liquid crystal layer thickness on the S₁₁ at the resonance frequencies.（a）f₁；（b）f₂.

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图 4. 液晶介电常数对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

Fig. 4. Effect of the liquid crystal dielectric constant on the S₁₁ at different resonance frequencies.（a）f₁；（b）f₂.

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图 5. 不同液晶层厚度的液晶介电常数对谐振峰频点（a） f₁和（b） f₂的影响

Fig. 5. Effect of liquid crystal dielectric constant on resonant frequency points（a）f₁ and（b）f₂ for different liquid crystal layer thicknesses

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表 1不同液晶层厚度的谐振频点f₁和f₂的灵敏度

Table1. Sensitivities of resonant frequency points f₁ and f₂ for different liquid crystal layer thickness

液晶层厚度/mm	频点f₁		频点f₂
液晶层厚度/mm	函数关系	灵敏度S/（MHz·Δε^-1）	函数关系	灵敏度S/（MHz·Δε^-1）
1	f₁=-0.44ε+5.27	435.23	f₂=-0.51ε+6.22	512.18
0.8	f₁=-0.43ε+5.21	428.05	f₂=-0.5ε+6.15	504.3
0.6	f₁=-0.41ε+5.11	410.36	f₂=-0.48ε+6.04	484.23
0.5	f₁=-0.4ε+5.07	403.43	f₂=-0.47ε+5.98	472.48
0.2	f₁=-0.32ε+4.8	315.32	f₂=-0.36ε+5.64	361.61

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表 2不同结构的介电常数传感器的灵敏度对比

Table2. Comparison of the sensitivity of different structures of dielectric constant sensors

传感器结构	灵敏度S/（MHz·Δε^-1）	参考文献
基片集成波导（SIW）	6.24	［32］
基片集成波导（SIW）	27.31	［33］
开口环形谐振器（SRR）	19.74	［34］
开口环形谐振器（SRR）	3.27	［35］
互补开口环形谐振器（CSRR）	6.11	［36］
互补开口环形谐振器（CSRR）	2.33	［37］
人工局域表面等离激元（液晶层为0.6 mm）	f₁：410.36	本文
人工局域表面等离激元（液晶层为0.6 mm）	f₂：484.23	本文

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李若舟, 吴哲元, 杨铭清, 屈科, 于映, 严静. 基于人工局域表面等离激元的液晶微波介电常数测量传感器[J]. 液晶与显示, 2023, 38(4): 471. Ruo-zhou LI, Zhe-yuan WU, Ming-qing YANG, Ke QU, Ying YU, Jing YAN. Liquid crystal microwave dielectric constant measurement sensor based on spoof localized surface plasmon[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2023, 38(4): 471.

基于人工局域表面等离激元的液晶微波介电常数测量传感器

图 1. （a）传感器结构示意图；（b）环形谐振器图案示意图；（c）馈线示意图。

Fig. 1. （a）Schematic diagram of the sensor structure；（b）Schematic diagram of the ring resonators pattern；（c）Schematic diagram of the feedline.

图 2. （a）器件回波损耗S₁₁仿真结果；（b）谐振频率为谐振频点时微波信号的电场分布情况。

Fig. 2. （a）Simulation result of S₁₁ of the device；（b）Electric field distributions of the microwave signal at the resonance frequency points.

图 3. 液晶层厚度对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

Fig. 3. Effect of the liquid crystal layer thickness on the S₁₁ at the resonance frequencies.（a）f₁；（b）f₂.

图 4. 液晶介电常数对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

Fig. 4. Effect of the liquid crystal dielectric constant on the S₁₁ at different resonance frequencies.（a）f₁；（b）f₂.

图 5. 不同液晶层厚度的液晶介电常数对谐振峰频点（a） f₁和（b） f₂的影响

Fig. 5. Effect of liquid crystal dielectric constant on resonant frequency points（a）f₁ and（b）f₂ for different liquid crystal layer thicknesses

表 1不同液晶层厚度的谐振频点f₁和f₂的灵敏度

Table1. Sensitivities of resonant frequency points f₁ and f₂ for different liquid crystal layer thickness

表 2不同结构的介电常数传感器的灵敏度对比

Table2. Comparison of the sensitivity of different structures of dielectric constant sensors

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基于人工局域表面等离激元的液晶微波介电常数测量传感器

图 1. （a）传感器结构示意图；（b）环形谐振器图案示意图；（c）馈线示意图。

Fig. 1. （a）Schematic diagram of the sensor structure；（b）Schematic diagram of the ring resonators pattern；（c）Schematic diagram of the feedline.

图 2. （a）器件回波损耗S11仿真结果；（b）谐振频率为谐振频点时微波信号的电场分布情况。

Fig. 2. （a）Simulation result of S11 of the device；（b）Electric field distributions of the microwave signal at the resonance frequency points.

图 3. 液晶层厚度对器件回波损耗S11的影响。（a）谐振峰f1；（b）谐振峰f2。

Fig. 3. Effect of the liquid crystal layer thickness on the S11 at the resonance frequencies.（a）f1；（b）f2.

图 4. 液晶介电常数对器件回波损耗S11的影响。（a）谐振峰f1；（b）谐振峰f2。

Fig. 4. Effect of the liquid crystal dielectric constant on the S11 at different resonance frequencies.（a）f1；（b）f2.

图 5. 不同液晶层厚度的液晶介电常数对谐振峰频点（a） f1和（b） f2的影响

Fig. 5. Effect of liquid crystal dielectric constant on resonant frequency points（a）f1 and（b）f2 for different liquid crystal layer thicknesses

表 1不同液晶层厚度的谐振频点f1和f2的灵敏度

Table1. Sensitivities of resonant frequency points f1 and f2 for different liquid crystal layer thickness

表 2不同结构的介电常数传感器的灵敏度对比

Table2. Comparison of the sensitivity of different structures of dielectric constant sensors

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图 2. （a）器件回波损耗S₁₁仿真结果；（b）谐振频率为谐振频点时微波信号的电场分布情况。

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图 3. 液晶层厚度对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

Fig. 3. Effect of the liquid crystal layer thickness on the S₁₁ at the resonance frequencies.（a）f₁；（b）f₂.

图 4. 液晶介电常数对器件回波损耗S₁₁的影响。（a）谐振峰f₁；（b）谐振峰f₂。

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图 5. 不同液晶层厚度的液晶介电常数对谐振峰频点（a） f₁和（b） f₂的影响

Fig. 5. Effect of liquid crystal dielectric constant on resonant frequency points（a）f₁ and（b）f₂ for different liquid crystal layer thicknesses

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