基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器

本发明涉及传感器，尤其涉及基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器。

背景技术：

1、液体浓度传感在医疗保健、遥感、农业和化学等领域应用广泛,利用传感器来检测液体的浓度已经成为一个热门的研究方向。当前，检测液体的方法大多是电化学或者光学方法，这往往使得用来测试的设备十分复杂和繁重，很有必要探索一种更加方便快捷的方法来对待测液体进行测量。最近，用微波传感器来测量液体的浓度的方法已经被提出来了，根据浓度表征技术所依托的微波器件不同，可分为谐振法与非谐振法。非谐振法又进一步分为传输线法、同轴反射法、平行板法，以及自由空间法。与非谐振法相比，谐振法在单频点下表征精度高、灵敏度高，有着更广阔运用空间。

2、尽管有线的微波传感器能够在大多数测试环境中使用，但却无法适应更加复杂和恶劣的环境，在这种环境中，无线微波传感标签具有较大的优势。随着无线技术的发展，对无线微波传感标签的需求正在以惊人的速度增长；然而目前报道的液体传感标签大多采用平面谐振器加载液体的方式，导致灵敏度受限且品质因数较低，从而使传感精度受限。

3、综上所述，有必要开发一种新的基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器，以解决上述背景技术中提出的技术问题。

2、为了解决上述的技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器，包括双频背腔缝隙天线、倍频电路和微流体芯片；

4、所述双频背腔缝隙天线具有层叠设置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，且三层介质基板均具有金属顶层、中间介质层和金属底层；

5、所述双频背腔缝隙天线的低频背腔缝隙天线的第一谐振腔由开设在第一介质基板上的一圈第一金属化通孔、开设在第二介质基板上的一圈第二金属化通孔以及开设在第三介质基板上的一圈第三金属化通孔围成，且此三圈金属化通孔在纵向上相对齐；

6、所述双频背腔缝隙天线的高频背腔缝隙天线的第二谐振腔由开设在第二介质基板上的一圈第四金属化通孔和开设在第三介质基板上的第五金属化通孔围成，且此两圈金属化通孔在纵向上相对齐；

7、所述第二介质基板上在一圈第四金属化通孔的内侧还开设有一圈第六金属化通孔；所述第二介质基板的金属顶层上在第二金属化通孔和第四金属化通孔之间开设有第一环槽；所述第二介质基板的金属底层上在第六金属化通孔和第四金属化通孔之间开设于第二环槽、在第四金属化通孔和第二金属化通孔之间开设有第三环槽；所述第三介质基板的金属顶层上在第五金属化通孔的内侧开设有圆形槽、在第五金属化通孔和第三金属化通孔之间开设有第四环槽；所述第四金属化通孔、第五金属化通孔、位于第二环槽和第三环槽之间的第一环形金属区域、位于第四环槽和圆形槽之间的第二环形金属区域和位于第一环槽内侧的第一圆形金属区域组成第一谐振腔的重入式电容柱结构；所述第六金属化通孔和位于第二环槽内侧的第二圆形金属区域组成第二谐振腔的重入式电容柱；

8、所述第一介质基板的金属底层被刻蚀至中间介质层形成嵌入槽，所述微流体芯片嵌入在所述嵌入槽内；

9、所述倍频电路设置在第二介质基板的金属底层上。

10、可选地，所述微流体芯片上设有单向导通的微流通道，在微流通道上开设有两个孔，分别作为微流通道上的出液孔、入液孔。

11、可选地，所述第一介质基板上在一圈第一金属化通孔的内侧开设有两个分布非金属化通孔，两个非金属化通孔与所述微流通道的两个孔一一对应连通。

12、可选地，所述第一介质基板的顶层金属上设有一条第一共面波导馈电线；在所述第一共面波导馈电线末端开设有第七金属化通孔；

13、所述第一介质基板的底层金属上设有一条第二共面波导馈电线；

14、所述第二介质基板的顶层金属上设有一条第三共面波导馈电线；在所述第三共面波导馈电线末端开设有第八金属化通孔；在第三共面波导馈电线的两侧分布开设有第九金属化通孔；

15、所述第二介质基板的底层金属上设有一条第四共面波导馈电线；在第四共面波导馈电线的两侧分别开设有第十金属化通孔；

16、所述第三介质基板的顶层金属上设有一条第五共面波导馈电线；在第五共面波导馈电线末端开有第十一金属化通孔；

17、所述第三介质基板的底层金属上设有一条第六共面波导馈电线；

18、所述倍频电路通过第三共面波导馈电线和第四共面波导馈电线与所述双频背腔缝隙天线相连。

19、可选地，所述第一介质基板的顶层金属上刻蚀有一道第一缝隙天线；所述第一介质基板的顶层金属上还设有第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘；在第一焊盘和第二焊盘上焊接有第一扼流电感，在第二焊盘和第三焊盘上焊接有第一变容二极管；其中，所述第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第一扼流电感组成第一直流偏置电路；第一变容二极管和第一直流偏置电路组成低频背腔缝隙天线的调频电路；

20、所述第三介质基板的底层金属上刻蚀有一道第二缝隙天线；所述第三介质基板的底层金属上还设有第四焊盘、第五焊盘和第六焊盘，在第四焊盘和第五焊盘上焊接有第二扼流电感，第五焊盘和第六焊盘上焊接有第二变容二极管；其中，第四焊盘、第五焊盘、第六焊盘和第二扼流电感（1315组成第二直流偏置电路；所述第二变容二极管和第二直流偏置电路构成高频背腔缝隙天线的调频电路。

21、可选地，所述微流通道呈蜿蜒状。

22、可选地，所述微流体芯片、第一环形金属区域、第二环形金属区域、第一圆形金属区域、第二圆形金属区域、一圈第四金属化通孔、一圈第五金属化通孔和一圈第六金属化通孔的圆心均在同一条竖直直线上。

23、可选地，所述第一介质基板上在与第三共面波导馈电线和第四共面波导馈电线相对应位置处分别蚀刻有第一矩形缺口；

24、所述第三介质基板上在与第三共面波导馈电线和第四共面波导馈电线相对应位置处分别蚀刻有第二矩形缺口。

25、可选地，所述第三共面波导馈电线通过第八金属化通孔过渡到第二介质基板的底层金属上的倍频电路输入端。

26、可选地，所述倍频电路包括输入匹配电路、输入滤波电路、第三变容二极管、输出滤波电路和输出匹配电路，以级联的形式组合起来；所述输入匹配电路采用单支节的方式进行设计，由一段串联微带线和并联微带线组成；所述输入滤波电路由一条四分之一波长的短路微带线组成；所述第三变容二极管串联在输入滤波电路和输出滤波电路之间；所述输出滤波电路由一条四分之一波长的开路微带线组成；所述输出匹配电路由一段串联微带线组成；所述倍频电路的两端由两段接近50ω的串联微带线过渡到双频背腔缝隙天线的输入端口和输出端口。

27、本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明提出的基于双重入式谐振腔的微流体谐波传感器为封闭式结构，电磁能量被限制在谐振腔内部，无法向自由空间中辐射，从而保证了双频背腔缝隙天线的高品质因数特性。

29、2、本发明提出的双频背腔缝隙天线采用了内外嵌套的双背腔缝隙天线结构，利用外部低频背腔缝隙天线的中心电容柱作为内部高频背腔缝隙天线的谐振腔腔壁，形成两个频点不同、彼此相隔离但都工作在基模模式下的背腔缝隙天线结构，大大减小了双频背腔缝隙天线的尺寸；且能够实现基波信号的无线馈入与谐波信号的无线馈出。

30、3、本发明在低频背腔缝隙天线和高频背腔缝隙天线的缝隙天线处都设计了调频电路，通过调节加载在对应调配电路的变容二极管上的直流偏置电压改变变容二极管的电容值，改变缝隙天线处的电容加载，从而对背腔缝隙天线的谐振频率进行调节，实现对双频背腔缝隙天线工作频段的调整。

31、4、本发明所设计的谐振腔采用重入式谐振器结构，利用重入式电容柱将电场集中在腔体的中心区域，有利于谐振器在传感方面的应用。

32、5、本发明设计了蜿蜒型的微流体芯片，大大增加了待测液体与谐振腔内感应电场的接触面积和有效体积比；并将微流体芯片加载在了谐振腔的中心区域，能够充分利用重入式谐振腔体中心处高度集中的感应电场，有利于液体浓度的高灵敏度传感应用，

33、6、本发明采用了共面波导-过渡金属化通孔-共面波导和共面波导-过渡金属化通孔-微带线的馈电结构，将低频背腔缝隙天线中的谐振信号通过第一介质基板的金属顶层上的共面波导馈送到第二介质基板的金属底层面上；以及将高频背腔缝隙天线中的谐振信号通过第三介质基板的金属底层上的共面波导馈送到第二介质基板的金属底层上，这种方式有利于多层电路板上的射频信号传输。

34、7、本发明设计的倍频电路与双频背腔缝隙天线组合成了谐波电子标签。当谐波电子标签工作时，外部询问信号从低频背腔缝隙天线上刻蚀的缝隙天线馈入低频谐振腔，激发腔体内的谐振模式，并将携带有液体信息的谐振信号从共面波导馈电线馈出到倍频电路中，通过倍频电路的二次倍频，将二倍频信号通过共面波导馈电线输入到高频背腔缝隙天线中，最终通过高频背腔缝隙天线上刻蚀的缝隙天线发射到外部接收天线并对传感信号进行处理，实现对液体浓度的无线传感。这种工作方式具有高信噪比的优点，能够大大减小外部发射信号对接收信号的干扰，有利于液体浓度的高灵敏度和精度的无线传感功能。