CN110954559A - 一种选择性放大的有源谐振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种选择性放大的有源谐振传感器。该选择性放大的有源谐振传感器包括：刻槽金属地板、介质板和金属激励耦合层；所述介质板敷于所述刻槽金属地板的上表面，所述金属激励耦合层敷于所述介质板的上表面；所述金属激励耦合层包括放大器芯片和两个微带线金属激励，所述放大器芯片的接地端接地，两个所述微带线金属激励均与外界激励源连接。本发明的选择性放大的有源谐振传感器可以弥补金属损耗、介质损耗，极大地提高谐振强度，可以选择性地放大谐振模式，相比无源谐振传感器结构，选择的谐振模式的谐振强度显著提高。

Description

一种选择性放大的有源谐振传感器

技术领域

本发明涉及有源传感领域，特别是涉及一种选择性放大的有源谐振传感器。

背景技术

生物、化学科研工作中一般需要测量辨别各种生化试剂和物质的特性，一种高效的、精确地、功能强大、低成本的生化试剂检测手段对于生物、化学科研工作来说是必不可少的，因此越来越多的技术都在提升传感器的性能，以实现试剂的精准测量。微波传感器具有操作简便、高灵敏度、非接触的特点，因此微波传感器的应用已成为一个新的研究热点。物质的介电常数和感兴趣的物理属性存在特定的关系，微波传感器通过测量介电常数来推断物质的物理属性。传统的微波传感器利用待测物质与基于微波谐振器的传感器近场耦合，通过谐振的位置和谐振振幅的变化去确定介电常数的变化进而确定物质某种属性的变化。但是，金属材料在微波段通常具有辐射损耗，导致基于微波谐振传感器的谐振下降，尤其是待测物质往往具有很大的损耗，加速了谐振强度的恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种选择性放大的有源谐振传感器，以提升微波谐振传感器的谐振强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种选择性放大的有源谐振传感器，包括：刻槽金属地板、介质板和金属激励耦合层；所述介质板敷于所述刻槽金属地板的上表面，所述金属激励耦合层敷于所述介质板的上表面；所述金属激励耦合层包括放大器芯片和两个微带线金属激励，所述放大器芯片的接地端接地，两个所述微带线金属激励均与外界激励源连接。

可选的，所述刻槽金属地板上刻蚀有光栅结构。

可选的，所述光栅结构包括两个周期性光栅结构，分别为第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构；

所述第一周期性光栅结构位于所述第二周期性光栅结构的外侧，所述第一周期性光栅结构和所述第二周期性光栅结构之间为刻蚀圆环。

可选的，所述金属激励耦合层还包括：接地金属贴片和两个金属耦合贴片；

所述放大器芯片的接地引脚与所述接地金属贴片连接，所述接地金属贴片接地；

两个金属耦合贴片分别为第一金属耦合贴片和第二金属耦合贴片；所述放大器芯片的输入引脚焊接至所述第一金属耦合贴片，所述放大器芯片的输出引脚焊接至所述第二金属耦合贴片。

可选的，两个微带线金属激励分别为第一微带线金属激励和第二微带线金属激励，所述第一微带线金属激励与外界激励源的第一端口连接，所述第二微带线金属激励与所述外界激励源的第二端口连接；

所述第一微带线金属激励与两个金属耦合贴片之间的距离均大于设定阈值；所述第二微带线金属激励与两个金属耦合贴片之间的距离均大于设定阈值。

可选的，两个金属耦合贴片分别位于所述接地金属贴片的两侧，所述放大器芯片置于所述接地金属贴片上。

可选的，所述刻槽金属地板上设置有通孔；所述选择性放大的有源谐振传感器还包括金属柱；所述金属柱的第一端通过所述通孔接地，所述金属柱的第二端贯穿所述介质板与所述接地金属贴片接触。

可选的，所述刻槽金属地板上的通孔为多个，且多个所述通孔分散分布。

可选的，所述第一金属耦合贴片和所述第二金属耦合贴片均为弯折结构；

所述第一金属耦合贴片包括第一短部和第一长部，所述放大器芯片的输入引脚焊接至所述第一短部；所述第二金属耦合贴片包括第二短部和第二长部，所述放大器芯片的输出引脚焊接至所述第二短部；

所述第一金属耦合贴片的弯折角度和所述第二金属耦合贴片的弯折角度均可调节；所述第一金属耦合贴片的弯折角度为所述第一短部和所述第一长部之间的夹角，所述第二金属耦合贴片的弯折角度为所述第二短部和所述第二长部之间的夹角；

所述第一长部和所述第二长部均与所述刻蚀圆环垂直。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过引入放大器芯片，基于谐振器激发的传输线性的谐振，可以弥补金属损耗、介质损耗，极大地提高谐振强度，相比无源谐振传感器结构，谐振强度显著提高；

此外，在具体应用中，金属耦合贴片的弯折角度不同，选择放大的谐振点不同，可根据具体需要，调节弯折角度选择需要放大的谐振点，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明选择性放大的有源谐振传感器的结构侧视图；

图2为本发明选择性放大的有源谐振传感器的刻槽金属地板的俯视图；

图3为本发明选择性放大的有源谐振传感器的金属激励耦合层的俯视图；

图4为本发明选择性放大的有源谐振传感器与无源谐振传感器的透射系数对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明选择性放大的有源谐振传感器的结构侧视图。如图1所示，本发明的选择性放大的有源谐振传感器包括：刻槽金属地板1、介质板2和金属激励耦合层3。所述介质板2敷于所述刻槽金属地板1的上表面，所述金属激励耦合层3敷于所述介质板2的上表面；所述金属激励耦合层3包括放大器芯片3-1和两个微带线金属激励3-4，所述放大器芯片3-1的接地端接地，两个微带线金属激励3-4均与外界激励源连接。

图2为本发明选择性放大的有源谐振传感器的刻槽金属地板的俯视图。结合图1和图2所示，刻槽金属地板1上刻蚀有光栅结构1-1，裸露出介质板8的下表面。光栅结构1-1包括两个周期性光栅结构，分别为第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构。第一周期性光栅结构位于第二周期性光栅结构的外围，第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构之间为刻蚀圆环1-2；第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构整体上也为圆环状。

图3为本发明选择性放大的有源谐振传感器的金属激励耦合层的俯视图。结合图1和图3所示，金属激励耦合层包括：放大器芯片3-1、接地金属贴片3-2、两个金属耦合贴片3-3和两个微带线金属激励3-4。放大器芯片3-1包括四个引脚，放大器芯片3-1的两个接地引脚焊接至接地金属贴片3-2，接地金属贴片3-2接地。两个金属耦合贴片3-3分别为第一金属耦合贴片和第二金属耦合贴片。所述放大器芯片3-1的输入引脚焊接至所述第一金属耦合贴片，形成放大器芯片3-1的输入端；所述放大器芯片3-1的输出引脚焊接至所述第二金属耦合贴片，形成放大器芯片3-1的输出端。由于放大器芯片3-1通常包括四个引脚，因此，将两个金属耦合贴片3-3分别置于接地金属贴片3-2的两侧，放大器芯片3-1置于接地金属贴片3-2上，这样可以方便放大器芯片3-1的引脚与金属耦合贴片3-3和接地金属贴片3-2的焊接。

放大器芯片3-1的型号根据实际需要进行调整即可，采用不同类型的射频放大器芯片均可以弥补刻槽金属环结构本身存在的金属、介质损耗以及测量高损耗媒质时引入的损耗，达到提升品质因数和谐振强度的效果。

两个微带线金属激励3-4与两个金属耦合贴片3-3之间的距离均大于设定阈值，具体的设定阈值与微带线金属激励3-4的电场分布和金属耦合贴片3-3有关，微带线金属激励3-4与金属耦合贴片3-3之间保持一定的距离，这样可以避免微带线金属激励3-4的电场对金属耦合贴片3-3产生影响。

两个微带线金属激励3-4与外界激励源连接，一个作为整个选择性放大的有源谐振传感器的输入端，一个作为选择性放大的有源谐振传感器的输出端。两个微带线金属激励3-4分别为第一微带线金属激励和第二微带线金属激励，所述第一微带线金属激励与外界激励源的第一端口连接，所述第二微带线金属激励与所述外界激励源的第二端口连接。

结合图3所示，两个金属耦合贴片3-3均为弯折结构。具体的，第一金属耦合贴片包括第一短部和第一长部，第一短部和第一长部连接构成第一金属耦合贴片，放大器芯片3-1的输入引脚焊接至第一短部；第二金属耦合贴片包括第二短部和第二长部，第二短部和第二长部连接构成第二金属耦合贴片，放大器芯片3-1的输出引脚焊接至第二短部。第一长部和第二长部均与第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构之间的刻蚀圆环垂直。两个金属耦合贴片3-3的弯折结构的弯折角度可调，第一金属耦合贴片的弯折角度是指第一短部和第一长部之间的夹角，第二金属耦合贴片的弯折角度是指第二短部和第二长部之间的夹角。金属耦合贴片3-3的弯折角度不同，选择放大的谐振点不同，可根据具体需要，调节弯折角度选择需要放大的谐振点。

关于接地金属贴片3-2的接地方式，通过在刻槽金属地板上1设置有通孔1-3，同时对应在介质板上对应也设置有该通孔。每个通孔内插入一根金属柱，金属柱的第一端通过通孔接地，金属柱的第二端贯穿介质板，与接地金属贴片3-2接触，实现了接地金属贴片3-2的接地设置。由于放大器芯片3-1的接地引脚焊接至接地金属贴片3-2，此时便实现了放大器芯片3-1的接地设置。关于通孔1-3的设置，根据实际需求进行设置即可，可以为1个，也可以为多个，多个的时候效果更好，设置多个时通孔在接地金属贴片3-2对应的区域内尽量分散分布。

图4为本发明选择性放大的有源谐振传感器与无源谐振传感器的透射系数对比图，图中虚线为本发明选择性放大的有源谐振传感器的透射系数，实线为无源谐振传感器的透射系数。如图4所示，相比于未引入放大器芯片的无源谐振传感器，本发明选择性放大的有源谐振传感器引入放大器芯片后，结构的谐振强度有极大提升，无源谐振传感器的谐振强度为-6.46dB左右。引入放大器芯片优化后的谐振强度可达到10.74dB，可见本发明具有良好的谐振强度的提升效果。

本发明中各个结构采用PCB工艺加工，根据工作频段不同，还可采用不同加工工艺加以实现，例如电火花线切割技术或者光刻工艺等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，包括：刻槽金属地板、介质板和金属激励耦合层；所述介质板敷于所述刻槽金属地板的上表面，所述金属激励耦合层敷于所述介质板的上表面；所述金属激励耦合层包括放大器芯片和两个微带线金属激励，所述放大器芯片的接地端接地，两个所述微带线金属激励均与外界激励源连接。

2.根据权利要求1所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述刻槽金属地板上刻蚀有光栅结构。

3.根据权利要求2所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述光栅结构包括两个周期性光栅结构，分别为第一周期性光栅结构和第二周期性光栅结构；

所述第一周期性光栅结构位于所述第二周期性光栅结构的外侧，所述第一周期性光栅结构和所述第二周期性光栅结构之间为刻蚀圆环。

4.根据权利要求3所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述金属激励耦合层还包括：接地金属贴片和两个金属耦合贴片；

所述放大器芯片的接地引脚与所述接地金属贴片连接，所述接地金属贴片接地；

两个金属耦合贴片分别为第一金属耦合贴片和第二金属耦合贴片；所述放大器芯片的输入引脚焊接至所述第一金属耦合贴片，所述放大器芯片的输出引脚焊接至所述第二金属耦合贴片。

5.根据权利要求4所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，两个微带线金属激励分别为第一微带线金属激励和第二微带线金属激励，所述第一微带线金属激励与外界激励源的第一端口连接，所述第二微带线金属激励与所述外界激励源的第二端口连接；

所述第一微带线金属激励与两个金属耦合贴片之间的距离均大于设定阈值；所述第二微带线金属激励与两个金属耦合贴片之间的距离均大于设定阈值。

6.根据权利要求5所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，两个金属耦合贴片分别位于所述接地金属贴片的两侧，所述放大器芯片置于所述接地金属贴片上。

7.根据权利要求5所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述刻槽金属地板上设置有通孔；所述选择性放大的有源谐振传感器还包括金属柱；所述金属柱的第一端通过所述通孔接地，所述金属柱的第二端贯穿所述介质板与所述接地金属贴片接触。

8.根据权利要求7所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述刻槽金属地板上的通孔为多个，且多个所述通孔分散分布。

9.根据权利要求4所述的选择性放大的有源谐振传感器，其特征在于，所述第一金属耦合贴片和所述第二金属耦合贴片均为弯折结构；

所述第一金属耦合贴片包括第一短部和第一长部，所述放大器芯片的输入引脚焊接至所述第一短部；所述第二金属耦合贴片包括第二短部和第二长部，所述放大器芯片的输出引脚焊接至所述第二短部；

所述第一长部和所述第二长部均与所述第一周期性光栅结构和所述第二周期性光栅结构之间的未刻蚀的圆环垂直；

所述第一金属耦合贴片的弯折角度和所述第二金属耦合贴片的弯折角度均可调节；所述第一金属耦合贴片的弯折角度为所述第一短部和所述第一长部之间的夹角，所述第二金属耦合贴片的弯折角度为所述第二短部和所述第二长部之间的夹角；

所述第一长部和所述第二长部均与所述刻蚀圆环垂直。

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