CN111122610A - 一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，包括：底板、第一介质板、微带线激励层、第二介质板、谐振体和金属管；所述底板敷于所述第一介质板的一表面；所述微带线激励层敷于所述第一介质板的另一表面；所述第二介质板的一表面与所述微带线激励层接触连接；所述谐振体设置在所述第二介质板的另一表面上。其中，采用第二介质板和谐振体构成谐振器，以产生半整数阶谐振信号，并在谐振体中引入放大器芯片，这就能够对在无源情况下的半整数阶谐振模式信号进行放大，以弥补检测过程中存在的检测损耗、在提高谐振强度和传感器品质因数的同时，进一步提高传感器的检测精度。

Description

一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器

技术领域

本发明涉及有源高分辨率传感器技术领域，特别是涉及一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器。

背景技术

测量、辨别生化试剂的特性，并且能够达到精确地、低成本的、功能强大检测方法对于科研工作是必要的，因此，越来越多的技术在研究能够应用于生化试剂测量领域的传感器，并希望能够提高传感器的检测性能，最终实现对待测溶液的精准测量。

基于这一目的，微波技术由于具有高集成度、低成本、实时和非侵入的优点，适合于溶液分析而受到研究者的青睐。

基于人工局域表面等离激元谐振结构在内的微波超结构传感器具有高品质因数，对外围环境的变化表现出较高的灵敏度，并且具有结构紧凑的优点。人工局域表面等离激元谐振的半整数阶谐振模式对周围的媒质的改变表现出更强的灵敏度，具有应用于葡萄糖、乙醇等溶液检测的巨大优势。另一方面，金属、电介质基板均会引入损耗，尤其在对待测溶液进行检测时会引入更大的损耗，这些损耗往往使得传感器的谐振强度变弱、品质因数降低，从而降低其检测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，以提高传感器的品质因数，从而提高传感器的检测精确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，包括：底板、第一介质板、微带线激励层、第二介质板、谐振体和金属管；

所述底板敷于所述第一介质板的一表面；所述微带线激励层敷于所述第一介质板的另一表面；所述第二介质板的一表面与所述微带线激励层接触连接；所述谐振体设置在所述第二介质板的另一表面上；

所述谐振体包括谐振盘和耦合放大电路；

所述谐振盘为一开缝环状体；所述第二介质板上开设有通孔阵列，且所述通孔阵列与所述谐振盘的开缝相邻；所述耦合放大电路的接地端焊接在所述通孔阵列上；

所述金属管的一端穿过所述第一介质板焊接于所述底板上；所述金属管的另一端插入所述通孔阵列的通孔中，且所述金属管与所述第二介质板的交汇处进行焊固定；

所述第二介质板和所述谐振体构成一谐振器；所述谐振器用于产生半整数阶谐振信号；

所述耦合放大电路包括放大器芯片；所述放大器芯片用于对所述半整数阶谐振信号中产生的检测损耗进行放大。

可选的，所述谐振体还包括：两个以所述谐振盘的开缝为中心对称设置的耦合枝节金属贴片；

所述耦合枝节金属贴片将所述谐振体所产生的半整数阶谐振模式信号发送给所述耦合放大电路。

可选的，所述微带线激励层按设定长度沿所述第一介质板的一端向所述第一介质板的中心延伸。

可选的，所述第二介质板上设置有矩形块区域；所述矩形块区域位于所述微带线激励层的上方，且所述矩形块区域的水平中心线与谐振盘开缝的中心线的夹角为设定角度。

可选的，所述矩形块区域上设置有信号输入端和信号输出端；

所述信号输入端与激励信号源连接，所述信号输出端与检测装置连接。

可选的，微带线激励层的宽度小于等于所述矩形块区域的宽度。

可选的，所述设定角度为45度至90度。

可选的，所述谐振盘沿周向刻蚀有多个凹槽。

可选的，所述底板、所述第一介质板和所述第二介质板均为金属板。

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：本发明提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中，通过采用第二介质板和谐振体来构成谐振器，以产生半整数阶谐振信号。并在谐振体中引入放大器芯片，这就能够对在无源情况下的半整数阶谐振模式信号进行放大，以弥补检测过程中存在的检测损耗，进而在提高谐振强度和传感器品质因数的同时，进一步提高传感器的检测精度。

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为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中谐振体的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中微带线激励层的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中通孔阵列的结构示意图；

图5为本发明实施例引入基于半整数阶谐振模式的有源传感器与无源传感器的反射系数对比图。

符号说明：

1底板，2第一介质板，3微带线激励层，4第二介质板，4-1矩形块区域，4-2通孔阵列，5谐振体，5-1谐振盘，5-2耦合放大电路，5-3耦合枝节金属贴片，5-1-1开缝，5-1-2凹槽，5-2-1放大器芯片，5-2-2射频放大器偏置电路的金属贴片，6-金属管。

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。

本发明的目的是提供一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，以提高传感器的品质因数，从而提高传感器的检测精确度。

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为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器的结构示意图，如图1所示，一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，包括：底板1、第一介质板2、微带线激励层3、第二介质板4、谐振体5和金属管6。

所述底板1敷于所述第一介质板2的一表面。所述微带线激励层3敷于所述第一介质板2的另一表面。所述第二介质板4的一表面与所述微带线激励层3接触连接。所述谐振体5设置在所述第二介质板4的另一表面上。

图2为本发明实施例所提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中谐振体的结构示意图，如图2所示，所述谐振体5包括谐振盘5-1和耦合放大电路5-2。

所述谐振盘5-1为一开缝环状体。所述第二介质板4上开设有通孔阵列4-2，且所述通孔阵列4-2与所述谐振盘5-1的开缝5-1-1相邻。所述耦合放大电路5-2的接地端焊接在所述通孔阵列4-2上。

所述金属管6的一端穿过所述第一介质板2焊接于所述底板1上。所述金属管6的另一端插入所述通孔阵列4-2的通孔中，且所述金属管6与所述第二介质板4的交汇处进行焊固定。

所述第二介质板4和所述谐振体5构成一谐振器。所述谐振器用于产生半整数阶谐振信号。

所述耦合放大电路5-2包括放大器芯片5-2-1。所述放大器芯片5-2-1用于对所述半整数阶谐振信号中产生的检测损耗进行放大。

底板1确保高频输入信号有效的传输，并能够用来增强谐振。第一介质板2与底板1以及微带线激励层3均是用来导行输入信号的部件。

通孔阵列4-2的个数和形状设置，可以根据实际需求进行设置，并且为保证接地的充分，在接地贴片大小允许的情况下，尽可能多的设置通孔，数量没有明确的限制，并且尽量分散分布，其具体设置位置如图4所示。

此外，所述谐振体5还包括：两个以所述谐振盘5-1的开缝5-1-1为中心对称设置的耦合枝节金属贴片5-3。

对称设置的所述耦合枝节金属贴片5-3，分别为高频信号的耦合输入与输出，以将所述谐振体5所产生的半整数阶谐振模式信号发送给所述耦合放大电路5-2。

其中，放大器芯片5-2-1包括四个引脚，其两个接地引脚焊接至所述通孔阵列4-2上。射频放大器偏置电路的金属贴片5-2-2用来焊接放大器芯片工作所需要的电容和电感。放大器芯片5-2-1和射频放大器偏置电路的金属贴片5-2-2和耦合枝节金属贴片5-3共同组合构成耦合放大电路5-2。

放大器芯片5-2-1的型号根据实际需要在工作频段范围内进行调整，来补偿谐振结构本身存在的金属损耗、介质损耗以及测量高损耗媒质时引入的损耗，达到增强谐振、提高谐振频点的Q值进而提升传感器的品质因数。

所述第二介质板4上设置有矩形块区域4-1。所述矩形块区域4-1位于所述微带线激励层3的上方，且所述矩形块区域4-1的水平中心线与谐振盘5-1开缝5-1-1的中心线的夹角为45度至90度。

所述矩形块区域4-1上设置有信号输入端和信号输出端。

所述信号输入端与激励信号源连接，所述信号输出端与检测装置连接。

如图1和图3所示，为了提高谐振性能，所述微带线激励层3按设定长度沿所述第一介质板2的一端向所述第一介质板2的中心延伸。所述微带线激励层3在沿所述第一介质板2的一端向所述第一介质板2的中心的方向上，依次包括矩形3-1和圆形3-2两部分。

并且为了进一步保证良好的谐振性能，微带线激励层3的宽度需要小于等于所述矩形块区域4-1的宽度。在本发明中，微带线激励层3矩形3-1部分的宽度优选为1.1mm，长度为15mm，其圆形3-2部分的半径优选为1.5mm。

所述谐振盘5-1沿周向刻蚀有多个凹槽5-1-2。

所述底板1、所述第一介质板2和所述第二介质板4均可以为金属板，也可以为和金属板具有相同性能的其他材质的板。

在采用本发明所提供的有源传感器对溶液进行检测时，只需要将盛有溶液的容器放置在谐振盘5-1上，将检测装置的信号输入端与矩形块区域4-1上的信号输出端连接，将高频输入信号装置的信号输出端与所述矩形块区域4-1上的信号输入端连接，就可以完成对溶液浓度的测量。

图5为本发明实施例引入基于半整数阶谐振模式的有源传感器与无源传感器的反射系数对比图，图中虚线为本发明有源谐振传感器的端口反射系数，实线为无源谐振传感器的反射系数。如图5所示，相比于未引入放大器芯片的无源谐振传感器，本发明有源谐振传感器引入放大器芯片后，结构的谐振强度提高，并且Q值也得到极大提高。其中，无源谐振传感器的Q值为767，引入放大器芯片，在外加最优偏置电压情况下Q值可高达到40000，可见本发明具有良好的谐振特性，能够达到有源增益补偿的效果。

而为了提高整个有源传感器的一体化，本发明中所提供的有源传感器的具体结构可以采用PCB工艺加工，也可以根据工作频段的不同，采用不同加工工艺进行加工，例如光刻工艺或者电火花线切割工艺等。

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：本发明提供的基于半整数阶谐振模式的有源传感器中，通过采用第二介质板和谐振体来构成谐振器，以产生半整数阶谐振信号。并在谐振体中引入放大器芯片，这就能够对在无源情况下的半整数阶谐振模式信号进行放大，以弥补检测过程中存在的检测损耗，进而在提高谐振强度和传感器品质因数的同时，进一步提高传感器的检测精度。

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)

1.一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，包括：底板、第一介质板、微带线激励层、第二介质板、谐振体和金属管；

所述底板敷于所述第一介质板的一表面；所述微带线激励层敷于所述第一介质板的另一表面；所述第二介质板的一表面与所述微带线激励层接触连接；所述谐振体设置在所述第二介质板的另一表面上；

所述谐振体包括谐振盘和耦合放大电路；

所述谐振盘为一开缝环状体；所述第二介质板上开设有通孔阵列，且所述通孔阵列与所述谐振盘的开缝相邻；所述耦合放大电路的接地端焊接在所述通孔阵列上；

所述金属管的一端穿过所述第一介质板焊接于所述底板上；所述金属管的另一端插入所述通孔阵列的通孔中，且所述金属管与所述第二介质板的交汇处进行焊固定；

所述第二介质板和所述谐振体构成一谐振器；所述谐振器用于产生半整数阶谐振信号；

所述耦合放大电路包括放大器芯片；所述放大器芯片用于对所述半整数阶谐振信号中产生的检测损耗进行放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述谐振体还包括：两个以所述谐振盘的开缝为中心对称设置的耦合枝节金属贴片；

所述耦合枝节金属贴片将所述谐振体所产生的半整数阶谐振模式信号发送给所述耦合放大电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述微带线激励层按设定长度沿所述第一介质板的一端向所述第一介质板的中心延伸。

4.根据权利要求1所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述第二介质板上设置有矩形块区域；所述矩形块区域位于所述微带线激励层的上方，且所述矩形块区域的水平中心线与谐振盘开缝的中心线的夹角为设定角度。

5.根据权利要求4所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述矩形块区域上设置有信号输入端和信号输出端；

所述信号输入端与激励信号源连接，所述信号输出端与检测装置连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述微带线激励层的宽度小于等于所述矩形块区域的宽度。

7.根据权利要求4所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述设定角度为45度至90度。

8.根据权利要求1所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述谐振盘沿周向刻蚀有多个凹槽。

9.根据权利要求1所述的一种基于半整数阶谐振模式的有源传感器，其特征在于，所述底板、所述第一介质板和所述第二介质板均为金属板。

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