阅读说明：本技术 基于微带天线的温度传感器及系统 (Temperature sensor and system based on microstrip antenna ) 是由 不公告发明人 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于微带天线的温度传感器及系统,具体而言,涉及温度传感领域。本发明提供了一种基于微带天线的温度传感器包括：辐射贴片、绝缘衬底和金属底板；绝缘衬底设置在金属底板的一侧,辐射贴片设置在绝缘衬底远离金属底板的一侧,辐射贴片设挖设有第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞内均填充有热膨胀材料,天线谐振频率对辐射贴片的形变非常敏感,当外界温度变化时,本申请提供的温度传感器第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞的体积均发生变化,使得辐射贴片上的电流路径改变,从而导致温度传感器的天线谐振频率的变化,通过该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系,得到环境温度。(The invention relates to a temperature sensor and a system based on a microstrip antenna, in particular to the field of temperature sensing. The invention provides a temperature sensor based on a microstrip antenna, which comprises: a radiation patch, an insulating substrate and a metal base plate; insulating substrate sets up the one side at metal substrate, the radiation paster sets up the one side of keeping away from metal substrate at insulating substrate, the radiation paster is established to dig and is equipped with first hole, the second hole, it has thermal expansion material all to fill in third hole and the fourth hole, antenna resonant frequency is very sensitive to the deformation of radiation paster, when ambient temperature changes, the first hole of temperature sensor that this application provided, the second hole, the volume of third hole and fourth hole all changes, make the current path change on the radiation paster, thereby lead to temperature sensor's antenna resonant frequency's change, the change of antenna resonant frequency offset through this temperature sensor and the corresponding relation of temperature, obtain ambient temperature.)

基于微带天线的温度传感器及系统

技术领域

本发明涉及温度传感领域，主要涉及一种基于微带天线的温度传感器及系统。

背景技术

温度传感器(temperature transducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

热电阻是金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。热电阻共分为正温度系数和负温度系数两种变化类型。

热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

无论是热电阻还是热电偶传感器均是将温度信号转换为电信号，但是，现有技术中的将声音转化为电信号的时候，具有较大的损耗，使得对温度的测量不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于微带天线的温度传感器及系统，以解决现有技术中热电阻还是热电偶传感器均是将温度信号转换为电信号，但是，现有技术中的将声音转化为电信号的时候，具有较大的损耗，使得对温度的测量不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于微带天线的温度传感器，温度传感器包括：辐射贴片、绝缘衬底和金属底板；绝缘衬底设置在金属底板的一侧，辐射贴片设置在绝缘衬底远离金属底板的一侧，辐射贴片设挖设有第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞均为轴对称图形，且第一孔洞的对称轴与第二孔洞的对称轴垂直，第三孔洞的对称轴与第四孔洞的对称轴垂直，第一孔洞的对称轴与第三孔洞的对称轴平行，第二孔洞的对称轴与第三孔洞的对称轴平行，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞内均填充有热膨胀材料。

可选地，该第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞的形状为矩形、等腰三角形和等腰梯形中任意一种。

可选地，该第一孔洞和第三孔洞的横截面面积相等，第二孔洞和第四孔洞横截面面积相等。

可选地，该辐射贴片的尺寸为35mm*35mm*2mm，绝缘衬底的尺寸为35mm*35mm*1mm，金属底板的尺寸为35mm*35mm*5mm。

可选地，该热膨胀材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

可选地，该辐射贴片的材料为金、银、铜中的任意一种。

可选地，该金属底板的材料为金、银、铜中的任意一种。

可选地，该绝缘衬底的材料二氧化硅、氧化铝中的任意一种。

第二方面，本发明还提供了一种基于微带天线的温度传感器系统，温度传感器系统包括：频谱分析仪和第一方面任意一项的温度传感器，频谱分析仪用于检测温度传感器的频谱。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于微带天线的温度传感器包括：辐射贴片、绝缘衬底和金属底板；绝缘衬底设置在金属底板的一侧，辐射贴片设置在绝缘衬底远离金属底板的一侧，辐射贴片设挖设有第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞均为轴对称图形，且第一孔洞的对称轴与第二孔洞的对称轴垂直，第三孔洞的对称轴与第四孔洞的对称轴垂直，第一孔洞的对称轴与第三孔洞的对称轴平行，第二孔洞的对称轴与第三孔洞的对称轴平行，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞内均填充有热膨胀材料，由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对辐射贴片的形变非常敏感，当外界温度变化时，本申请提供的温度传感器的第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞内的热膨胀材料发生膨胀，使得第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞和第四孔洞的体积均发生变化，使得辐射贴片上的电流路径改变，从而导致温度传感器的天线谐振频率的变化，通过该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以得到准确温度。此外，由于本发明温度传感器是将温度转化为谐振频率的变化，则通过谐振频率测量得到的温度较为准确，同时本申请的基于微带天线结构设计，因此还具有成本低、质量轻，易于集成的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的温度传感器的横截面示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的温度传感器的辐射贴片示意图；

图3为本发明一实施例提供的另一种基于微带天线的分子探测器的辐射贴片示意图；

图4为本发明一实施例提供的另一种基于微带天线的分子探测器的辐射贴片示意图。

图标：1-辐射贴片；11-第一孔洞；12-第二孔洞；13-第三孔洞；14-第四孔洞；2-绝缘衬底；3-金属底板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

实施例1

图1为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的温度传感器的横截面示意图；图2为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的温度传感器的辐射贴片示意图；如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种基于微带天线的温度传感器，温度传感器包括：辐射贴片1、绝缘衬底2和金属底板3；绝缘衬底2设置在金属底板3的一侧，辐射贴片1设置在绝缘衬底2远离金属底板3的一侧，辐射贴片1设挖设有第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均为轴对称图形，且第一孔洞11的对称轴与第二孔洞12的对称轴垂直，第三孔洞13的对称轴与第四孔洞14的对称轴垂直，第一孔洞11的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，第二孔洞12的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14内均填充有热膨胀材料，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的设置一方面引导了电流的曲折绕行，改变了天线表面的电流路径，从而增加了天线的有效长度，使得谐振频率降低，最终目的是实现微带天线的小型化。另一方面，四个孔洞的设置，可以从不同的方向形成光电流，这样可以适应不同的激发偏振态。

该温度传感器的结构从下到上依次为金属底板3、绝缘衬底2和辐射贴片1，其中辐射贴片1上挖设有第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14，该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均为轴对称图像，在同一平面内，第一孔洞11的对称轴与第二孔洞12的对称轴垂直，第三孔洞13的对称轴与第四孔洞14的对称轴垂直，第一孔洞11的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，第二孔洞12的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的具体几何参数根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，一般的该辐射贴片1、绝缘衬底2、金属底板3垂直于水平面的横截面积相同，且该辐射贴片1、绝缘衬底2、金属底板3垂直于水平面的横截面一般为矩形，在本申请中由于该温度传感器的结构是基于微带天线的结构制作的，则该温度传感器具有温带天线的特征，由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对辐射贴片1的形变非常敏感，当外界温度变化时，本申请提供的温度传感器的第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14内的热膨胀材料发生膨胀，使得第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的体积均发生变化，此时辐射贴片1上的电流路径改变，从而导致温度传感器的天线谐振频率的变化，通过该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以准确完成对外界环境温度的传感。此外，由于本发明温度传感器是将温度转化为谐振频率的变化，则通过谐振频率测量得到的温度较为准确，同时本申请的基于微带天线结构设计，因此还具有成本低、质量轻，易于集成的优点，需要说明的是，该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的几何参数影响内部填充的热膨胀材料的量，热膨胀材料的膨胀体积与热膨胀材料的膨胀系数和热膨胀材料的量有关，即该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的体积越大，该热膨胀材料的膨胀体积更大，从而使得辐射贴片1上的电流路径改变更大，从而导致温度传感器的天线谐振频率的变化增大，通过该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以准确完成对外界环境温度的传感，另外，温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，与该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的几何参数，该热膨胀材料的膨胀系数有关，具体地，该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，根据实验测量测得在此不做具体限定。

由微带天线的中心频率公式：

(其中,c为真空中的光速，L_eff为天线的有效电流长度，

为基板的有效介电常数。)

第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13第四孔洞14的设置一方面引导了电流的曲折绕行，改变了天线表面的电流路径，从而增加了天线的有效长度，使得谐振频率降低，最终目的是实现微带天线的小型化。另一方面，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13第四孔洞14的设置，可以从不同的方向形成光电流，这样可以适应不同的激发偏振态。

可选地，该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的形状为矩形、等腰三角形和等腰梯形中任意一种。

该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的形状可以为矩形，也可以为等腰三角形，还可以为等边三角形，还可以为等腰梯形。

图3为本发明一实施例提供的另一种基于微带天线的分子探测器的辐射贴片示意图；如图3所示，可选地，当该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14为等腰三角形时，该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均存在尖端，在三角形的尖端效应下，可以很大的提升第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的尖端附近的磁场及极化电流，从而一旦外界温度发生变化导致孔洞发生形变，天线的谐振频率发生大的偏移，使得温度传感更加敏感，当该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14为等腰梯形时，四个梯形孔洞组合组成的间隙与上述的三角形孔洞不同，在竖向间隙路径上存在一个夹角，该夹角对形变感知更加敏感，从而可以提高传感器性能。

可选地，该第一孔洞11和第三孔洞13的横截面面积相等，第二孔洞12和第四孔洞14横截面面积相等。

该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的形状均相同，且第一第一孔洞11和第三孔洞13的横截面面积相等，第二孔洞12和第四孔洞14横截面面积相等，则该第一孔洞11与第三孔洞13全等，且轴对称和点对称，该第二孔洞12和第四孔洞14全等，且轴对称和点对称；在实际应用中，若该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14为矩形，则第一孔洞11和第三孔洞13的长为4mm,宽为6mm；第二孔洞12和第四孔洞14的长为10mm,宽为4mm；第一孔洞11与第二孔洞12之间，第三孔洞13与第四孔洞14之间间隙为3mm；第二孔洞12与第三孔洞13之间，第一孔洞11与第四孔洞14之间间隙为2mm；若该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14为等腰三角形，则第一孔洞11和第三孔洞13的长为4mm,高为6mm；第二孔洞12和第四孔洞14的长为10mm,高为4mm；第一孔洞11与第二孔洞12之间，第三孔洞13与第四孔洞14之间间隙为3mm；第二孔洞12与第三孔洞13之间，第一孔洞11与第四孔洞14之间间隙为2mm；若该第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14为为等腰梯形，则第一孔洞11和第三孔洞13的底边为4mm,短底边小于4mm，高为6mm；第二孔洞12和第四孔洞14的长底边为10mm,短底边小于10mm，高为4mm；第一孔洞11与第二孔洞12之间，第三孔洞13与第四孔洞14之间间隙为3mm；第二孔洞12与第三孔洞13之间，第一孔洞11与第四孔洞14之间间隙为2mm。另外，具体制作时，还可以通过调整孔洞尺寸，有效的调整谐振频率，使其工作波长处于特定的范围内。

可选地，该辐射贴片1的尺寸为35mm*35mm*2mm，绝缘衬底2的尺寸为35mm*35mm*1mm，金属底板3的尺寸为35mm*35mm*5mm。

可选地，该辐射贴片1的材料为金、银、铜中的任意一种。

可选地，该金属底板3的材料为金、银、铜中的任意一种。

可选地，该绝缘衬底2的材料二氧化硅、氧化铝中的任意一种。

本发明提供了一种基于微带天线的温度传感器包括：辐射贴片1、绝缘衬底2和金属底板3；绝缘衬底2设置在金属底板3的一侧，辐射贴片1设置在绝缘衬底2远离金属底板3的一侧，辐射贴片1设挖设有第一第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13第四孔洞14，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均为轴对称图形，且第一孔洞11的对称轴与第二孔洞12的对称轴垂直，第三孔洞13的对称轴与第四孔洞14的对称轴垂直，第一孔洞11的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，第二孔洞12的对称轴与第三孔洞13的对称轴平行，第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14内均填充有热膨胀材料，由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对辐射贴片1的形变非常敏感，当外界温度变化时，本申请提供的温度传感器的第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14内的热膨胀材料发生膨胀，使得第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14的体积均发生变化，从而辐射贴片1上的电流路径改变，从而导致温度传感器的天线谐振频率的变化，通过该温度传感器的天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以准确完成对外界环境温度的传感。此外，由于本发明温度传感器是将温度转化为谐振频率的变化，则通过谐振频率测量得到的温度较为准确，同时本申请的基于微带天线结构设计，因此还具有成本低、质量轻，易于集成的优点。

实施例2

基于实施例1，实施例2和实施例3任意一种基于微带天线的温度传感器，本申请实施例还提供了一种基于微带天线的温度传感器装置，包括：频谱分析仪和实施例任意一种基于微带天线的温度传感器，频谱分析仪用于检测基于微带天线的温度传感器的频谱。当外界温度变化时，辐射贴片1内的热膨胀材料聚甲基丙烯酸甲酯会发生膨胀，引起孔洞的形变，此时辐射贴片1上的电流路径发生改变，从而导致天线谐振频率的变化。频谱分析仪用于接受检测该谐振频率的变化。最终通过频谱分析仪检测到的天线谐振频率偏移量的变化可以准确完成对外界环境温度的传感。由于微带天线的频率漂移对辐射贴片1的形变十分敏感，因此该温度传感装置性能良好。

实施例3

图4为本发明一实施例提供的另一种基于微带天线的分子探测器的辐射贴片示意图，如图4所示，可选地，本实施例与实施例1相比，本实施例中的第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均为梯形，且第一孔洞11和第三孔洞13正向放置，第二孔洞12和第四孔洞14反向放置。第一孔洞11、第二孔洞12、第三孔洞13和第四孔洞14均两两相互间隙设置。孔洞内填充热膨胀材料。很显然，四个梯形孔洞组合组成的间隙与实施例1不同，在竖向间隙路径上存在一个夹角，该夹角对形变感知更加敏感，从而使得温度传感更加敏感，进而提高传感器性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。