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专利号: 2022110652241
申请人: 西南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于微波负阻电路补偿的高分辨率双重入式腔体传感器,其特征在于:所述传感器包括无源谐振腔体、微流体芯片和负阻补偿电路(3‑3);

所述无源谐振腔体是由在四块纵向堆叠的介质基板中形成的上下两个重入式谐振腔体构成,两个重入式谐振腔体分别形成在上部的第一和第二介质基板以及下部的第三和第四介质基板中,每个介质基板均具有顶层金属、中间介质层以及底层金属层三层结构,两个重入式谐振腔体通过直接接触的第二介质基板的底层金属和第三介质基板的顶层金属进行纵向地隔离,使得电磁场束缚在各自的腔体中;

所述微流体芯片有两块,分别嵌入两个重入式谐振腔体中,并分别位于各自谐振腔体电场强度最强的间隙区域;

在相接触的第二介质基板(1‑2)的底层金属和第三介质基板(2‑1)的顶层金属上形成两个重入式谐振腔体的腔体馈电结构(3‑1)和负阻补偿电路连接端口(3‑2),其中所述腔体馈电结构(3‑1)通过转接头连接到矢量网络分析仪,所述负阻补偿电路通过负阻补偿电路连接端口(3‑2)与两个重入式谐振腔体连接,通过调节负阻补偿电路中三极管和变容二极管的偏置电压实现对两个谐振腔体同时且独立地能量补偿;

在测量时,选择其中一个腔体作为传感腔体,另外一个腔体作为参考腔体;

所述负阻补偿电路(3‑3)包含电阻、电容、电感、三极管以及变容二极管;电感Ln一端与三极管BFP420的基极b相连,另外一端直接接地;三极管BFP420集电极c分别和电容Cd1的一端相连,同时与电感Lc1的一端相连;电容Cd1的另外一端则是作为负阻补偿电路的输出端提供负阻;电阻Rc作为直流偏置电阻一端与电感Lc1的另外一端相连,而电阻Rc的另外一端就与电压源Vc的正极相连;而电压源Vc的负极就直接接地;三极管BFP420的发射极e分别与电感Lc2和电容Cd2的一端相连;电阻Re与电感Lc2的另外一端相连,而电阻Re的另外一端则与电压源Ve的负极相连;同时电压源Ve的正极则直接接地;电阻R0的一端和电容Cd2的另外一端相连,电阻R0的另外一端则与变容二极管SMV1405的阴极和电感Lc3相连;变容二极管SMV1405的阳极则直接接地;电感Lc3的另外一端与电压源Vbias的正极相连;电压源Vbias的负极直接接地;

在两个重入式谐振腔体的两端关于纵轴对称设置所述腔体馈电结构(3‑1),所述腔体馈电结构(3‑1)由第一馈电结构(3‑2‑1)以及第二馈电结构(3‑1‑1)形成的带状线和第三馈电结构(3‑2‑2)连接构成;所述负阻补偿电路连接端口(3‑2)是由第四、第五馈电结构(3‑1‑

2)和(3‑2‑3)形成的带状线结构连接一段渐变微带线(3‑2‑4)构成,所述带状线结构是通过在第三介质基板(2‑1)的顶层金属和第二介质基板(1‑2)的底层金属上蚀刻上下位置对应结构参数相同的矩形凹槽而形成,所述渐变微带线(3‑2‑4)形成在第三介质基板(2‑1)的延伸部分的顶层金属上,所述渐变微带线(3‑2‑4)与负阻补偿电路(3‑3)直接相连。

2.根据权利要求1所述的传感器,其特征在于,两个所述重入式谐振腔体是通过在各自对应的介质基板的中间介质层均刻蚀多个金属化通孔,由金属化通孔均匀分布并形成谐振腔的等效金属壁;

上重入式谐振腔体(1)的第一介质基板(1‑1)在等效金属壁围成区域内自底层金属往上刻蚀至部分的中间介质层形成圆形凹槽,在圆形凹槽中嵌入第一微流体芯片(1‑1‑2),在第二介质基板的中心区域设有周期阵列分布的金属化通孔,形成第一电容柱(1‑2‑1);

下重入式谐振腔体(2)的第四介质基板(2‑2)在等效金属壁围成的区域内自顶层金属往下刻蚀至部分的中间介质层形成圆形凹槽,在圆形凹槽中嵌入第二微流体芯片(2‑2‑1);

在第三介质基板的中心区域设有周期阵列分布的金属化通孔,形成第二电容柱(2‑1‑1);

所述第一电容柱(1‑2‑1)和第二电容柱(2‑1‑1)所在的位置均为各自腔体中电场最强的区域,所述第一微流体芯片(1‑1‑2)和第二微流体芯片(2‑2‑1)的微流道分别对应于该电场最强的区域分布;两个谐振腔体中的电容柱半径不同,上重入式谐振腔体(1)中的电容柱半径较大,下重入式谐振腔体(2)中的电容柱半径较小,两个重入式谐振腔体以及腔体中对应的电容柱都是沿着纵轴和横轴对称分布。

3.根据权利要求1所述的传感器,其特征在于:两个所述重入式谐振腔体的等效电路模型为两个对应的RLC并联网络,所述腔体馈电结构(3‑1)连接的矢网端口阻抗分别等效为ZIN和ZOUT,而腔体馈电结构(3‑1)则被等效为一个理想的三端口变压器,对应的变压比为T1和T2,用于连接负阻补偿电路连接端口(3‑2)也被等效为一个理想的三端口变压器,对应的变压比为T3和T4,所述负阻补偿电路(3‑3)则是等效为一个负电阻加电容的形式,对应的阻抗形式写成‑R+1/jωCR的形式。

4.根据权利要求1所述的传感器,其特征在于,在第二介质基板(1‑2)的底层金属在与所述第三介质基板(2‑1)的顶层金属上具有上下位置相同、结构参数一致的矩形凹槽,用于形成所述第一馈电结构(3‑2‑1)和第二馈电结构(3‑1‑1),构成所述带状线;将重入式谐振腔体(2)的第三介质基板(2‑1)的两端设计成宽于其他介质基板,在宽出的位置设置所述第三馈电结构(3‑2‑2),与利用第一和第二馈电结构(3‑2‑1)、(3‑1‑1)形成的带状线连接构成所述腔体馈电结构(3‑1);所述腔体馈电结构(3‑1)为两个纵向的重入式腔体提供激励,使得两腔体可以同时谐振。

5.根据权利要求4所述的传感器,其特征在于,在两个重入式谐振腔体未设置腔体馈电结构(3‑1)的另两端中的其中一端设置所述负阻补偿电路连接端口(3‑2),并在这一端将所述第三介质基板(2‑1)向腔体外延伸出一部分,使其超出其它介质基板,在这延伸部分将其部分金属层蚀刻,设置所述负阻补偿电路(3‑3)。

6.根据权利要求1或2所述的传感器,其特征在于:所述上重入式谐振腔体(1)的第一介质基板(1‑1)和下重入式谐振腔体(2)的第四介质基板(2‑2)上设置有连通各自微流体芯片的微流道进、出液孔;所述第一和第二微流体芯片(1‑1‑2)和(2‑2‑1)带有环形的微流道,而环形微流道的位置正好对应于各自的谐振腔体电场强度最大的区域。

7.根据权利要求1或2所述的传感器,其特征在于:所述的谐振腔为圆形,对应的半径为

19.4mm,腔体(1)和(2)中对应的电容柱(1‑2‑1)和(2‑1‑1)的半径分别为7.5mm和6.0mm。

8.根据权利要求1或2所述传感器,其特征在于:所述的四块介质基板的中间介质层材料均为F4BM,其相对介电常数为2.55,相对磁导率为1,损耗正切角为0.0015。

9.根据权利要求1或2所述传感器,其特征在于:所述传感器用于液态媒质的检测,包括对液体溶剂中极微量溶质的检测,特别是用于葡萄糖溶液的浓度表征;当用于葡萄糖溶液的浓度表征时,可通过调节谐振腔体和电容柱的尺寸使得两个谐振腔体的谐振频率之间相差71.4MHz。