阅读说明：本技术 一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器 (High-sensitivity magnetic conductivity sensor based on cavity local field enhancement ) 是由 李越 周子恒 何翼景 孙旺宇 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器,为一个二端口网络,包括带电磁波入射端口的激励波导和电磁波出射端口的接收波导,激励波导和接收波导分别连接在内部填充空气的金属腔体的相对两端,金属腔体中心设置有空心结构的宏观掺杂柱体,宏观掺杂柱体中沿柱长方向设置有装载待测样品的微流管道,宏观掺杂柱体的四侧壁为金属,其中一侧壁开有沿柱长方向的槽,槽上焊接加载若干集总电容,电磁波入射端口与电磁波出射端口相对设置,柱长方向与电磁波入射、出射方向垂直,本发明大大提高了灵敏度,且支持更高的工作频率,而且更加易于集成在平面波导电路中,本发明在磁性物质检测、金属探伤、微流道生物医学芯片方面有良好的应用前景。(A high-sensitivity magnetic conductivity sensor based on cavity local field enhancement is a two-port network and comprises an excitation waveguide with an electromagnetic wave incident port and a receiving waveguide with an electromagnetic wave emergent port, wherein the excitation waveguide and the receiving waveguide are respectively connected with two opposite ends of a metal cavity filled with air, a macroscopic doping column body with a hollow structure is arranged in the center of the metal cavity, a micro-flow pipeline for loading a sample to be detected is arranged in the macroscopic doping column body along the length direction of the column, four side walls of the macroscopic doping column body are made of metal, one side wall of the macroscopic doping column body is provided with a groove along the length direction of the column, a plurality of lumped capacitors are welded and loaded on the groove, the electromagnetic wave incident port and the electromagnetic wave emergent port are oppositely arranged, and the length direction of the column is vertical to the electromagnetic wave incident and emergent directions, the invention has good application prospect in the aspects of magnetic substance detection, metal flaw detection and micro-channel biomedical chips.)

一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器

技术领域

本发明属于材料磁导率特性传感技术领域，特别涉及一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器。

背景技术

对材料磁特性的测量和监测在多个领域都有重要的应用。在冶金领域，金属材料的磁导率可以反映金属材料的品质和内部的缺陷情况。城市污染会将磁性元素,如铁、钴、镍等带入环境之中，改变土壤的磁导率，因而监控土壤磁特性在生态环境监控和保护方面也有重要作用。此外，生物体的健康情况可以通过生物组织(如血液、脑组织等)的磁导率涨落有规律地反映出来，帮助临床医学诊断。

然而，传统的磁导率测试方案在灵敏度、工作频率或者结构简单性方面还存在缺陷。磁力秤测试方案只能针对磁导率较大的铁磁材料，而且工作频率往往局限于直流和低频交流频段。线圈法是另一种常用的磁导率测试方法。原理是测试通电线圈的感应电动势或者感应电流，计算出线圈内部待测物质的磁特性。但多匝线圈结构往往体积较大，难以和平面电路/系统集成，且受外界电磁环境串扰，面临着测试频率低的局限。通过测量加载磁性媒质后的传输线的散射参数变化，也可以测试微波波段的材料磁导率，但该方案对磁导率的微小变化不敏感，因此难以适用于弱磁物质(如生物组织、土壤等)的磁导率的精密测试和传感。可见，发展高频、高灵敏度、易于集成的磁导率传感器是十分必要的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器，采用金属腔体结构，利用电磁谐振将磁场能量集中在带测试物质周围，具有高工作频率、高灵敏度的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器，为一个二端口网络，包括带电磁波入射端口1的激励波导2和电磁波出射端口8的接收波导7，所述激励波导2和接收波导7分别连接在内部填充空气的金属腔体3的相对两端，金属腔体3中心设置有空心结构的宏观掺杂柱体4，宏观掺杂柱体4中沿柱长方向设置有装载待测样品的微流管道5，宏观掺杂柱体4的四侧壁为金属，其中一侧壁开有沿柱长方向的槽，槽上焊接加载若干集总电容6，所述电磁波入射端口1与电磁波出射端口8相对设置，所述柱长方向与电磁波入射、出射方向垂直。

所述激励波导2和接收波导7均工作在基模TE10模式，电磁波从电磁波入射端口1馈入，在电磁波出射端口8进行接收。

所述金属腔体3和宏观掺杂柱体4的高度为h，传感器的工作波长约为高度h的两倍，在工作波长附近，金属腔体3工作在临界导通模式，呈现出感性，与加载集总电容6的宏观掺杂柱体4发生强烈谐振，产生10³量级的透射峰。

根据宏观掺杂理论，在金属腔体3横截面内磁场分布规律为：宏观掺杂柱体4以外区域的磁场均匀分布；宏观掺杂柱体4内部的磁场成百倍的强于其外部磁场，磁场增强因子正比于金属腔体3横截面积和宏观掺杂柱体4横截面积之比。

所述金属腔体3由数控铣腔工艺制作，所采用的材料为铝合金，电导率为3.5×10⁷S/m，激励波导2和接收波导7内部填充介电常数为2.1的特氟龙材料。

所述槽设置在宏观掺杂柱体4远离电磁波入射端口1的侧壁上，所述集总电容6为三个0603封装的集总贴片电容，三个电容的放置的高度分别为z＝5/6h,1/2h,1/6h,每个电容的电容值均为0.7pF。

所述宏观掺杂柱体4还可采用微波陶瓷粉末压实的实心柱体结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于掺杂柱体内显著的磁场增强效应，微流道内物质磁导率微弱的变化会导致系统透射峰发生明显的移动，从而提高探测灵敏度。

2、整体尺寸与波长可比拟，体积小，结构紧凑，方便与波导电路以及其它平面系统封装集成。

3、传感器基于封闭腔体结构，不受外电磁环境影响，具有低串扰、高信噪比的优势。

4、相比于传统磁导率测试采用的线圈结构，金属腔体工作频率高，可达微波和毫米波波段。

5、由于波导腔体可以工作在毫米波等高频段，适用于高频段的材料磁导率的测试和传感，为高灵敏度、高集成度的微流控磁导率传感芯片提供了平台。

附图说明

图1为本发明提出的基于腔体局域场增强的磁导率传感器的一个实例。

图2为图1中的磁导率传感器在截面(z＝h/2)上磁场幅度分布。

图3为图1微流道(5)内放置不同磁导率物质时的传感器的透射谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器，为一个二端口网络，包括带电磁波入射端口1的激励波导2和电磁波出射端口8的接收波导7，电磁波从电磁波入射端口1馈入，在电磁波出射端口8进行接收。激励波导2和接收波导7分别连接在内部填充空气(介电常数为1)的金属腔体3的相对两端，金属腔体3中心设置有宏观掺杂柱体4。

宏观掺杂柱体4可采用微波陶瓷粉末压实的实心柱体结构，也可采用四侧壁均为金属的空心结构，以空心结构为例，其上下侧与金属腔体3的上下金属面相连接。宏观掺杂柱体4中沿柱长方向(图中z方向)设置有装载待测样品的微流管道5，宏观掺杂柱体4的其中一侧壁开有沿柱长方向的槽，槽上焊接加载三个集总电容6，电磁波入射端口1与电磁波出射端口8沿图中x方向相对设置。

输入波导2和输出波导7的宽度为w,金属腔体3和宏观掺杂柱体4的高度(图中z方向)为h，金属腔体3的横截面积(图中xy平面)为l₁×l₁，宏观掺杂柱体4的横截面积(图中xy平面)为l₂×l₂，槽宽为g，微流管道5的直径为d。本实施例选取的一个具体参数值列在表1中。

表1本发明实施例中各尺寸参数的具体数值

w	h	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	g	d
						50mm	125mm	250mm	25mm	1mm	8mm

金属腔体3由数控铣腔工艺制作，所采用的材料为铝合金，电导率为3.5×10⁷S/m，激励波导2和接收波导7内部填充介电常数为2.1的特氟龙材料。槽设置在宏观掺杂柱体4远离电磁波入射端口1的侧壁上，集总电容6为三个0603封装的集总贴片电容，三个电容的放置的高度分别为z＝5/6h,1/2h,1/6h,每个电容的电容值均为0.7pF。

本发明提出的磁导率传感器基于透射式测试，传感器的工作波长大约为高度h的两倍。在本实施例中，磁导率传感器的工作波长在250mm(对应频率为1.2GHz)。当从电磁波入射端口1激励时，激励波导2与接收波导7工作在基模TE10模式，在此工作波长附近，金属腔体3工作在一种临界导通的零次模谐振模式：在平行于x-y平面的界面上(宏观掺杂柱体4外)具均匀的磁场分布。加载集总电容6的宏观掺杂柱体4呈现出容性，而作为掺杂背景的金属腔体3为感性，两者发生强烈谐振，由于谐振，在频谱上产生一个品质因子高达10³的共振透射峰；与此同时，由于谐振，宏观掺杂柱体4包围的小区域内的磁场相比入射磁场增强100倍左右，磁场增强因子正比于金属腔体3横截面积和宏观掺杂柱体4横截面积之比。在局域磁场增强的条件下，宏观掺杂柱体4内待测物质磁导率微小的扰动都会引起腔体磁场储能的显著变化，从而使得透射峰发生明显偏移。因此实现了基于宏观掺杂的腔体结构的高灵敏度磁导率传感器，所采用的波导腔体结构具有低串扰、易于集成和封装、工作频率高等优势。

由全波仿真得到的传感器横截面z＝h/2上的磁场幅度分布如图2所示，清楚地展现了通过腔体宏观掺杂实现局域磁场的显著增强。

由于宏观掺杂柱体4为一个空心柱状结构，而且图2表明磁场在掺杂体中均匀分布，所以装载待测物质的微流管道5可方便地放在其中任意位置。在此实例中，选用位于中心的一个微流管道5。对该磁导率传感器的透射响应进行全波仿真，图3给出了当微流管道5内放置不同磁导率材料时的透射谱。在该实的例仿真结果中，微流管道5内物质磁导率±2％的变化将引起透射峰频率在1.2GHz附近发生5MHz的偏移。通过考察一个固定频点——相对磁导率为1时的透射峰对应的频率：1.2026GHz；当磁导率变化±2％，该频点透射率即从1降至0.4。这样的显著频谱特征变化可以被矢量网络分析仪或者频谱仪较为容易地探测到。增加金属腔体3平行于x-y平面的横截面积可以进一步提高透射谐振峰的品质因子，提升金属腔体3对微流管道5内材料磁导率变化的灵敏度。

本发明提出的磁导率传感器，由于只需要测试传输系数，后处理较为简单，可以用于对物质磁导率变化的实时监控。如果需要得到磁导率的绝对值，只需要将测试得到的透射峰频率与一个已知磁导率样品产生的透射峰进行做差校准。

本发明提出的磁导率传感器整体采用了金属波导腔体结构，主要部件金属腔体3的体积仅为0.5λ×λ×λ(λ为工作频率1.2GHz对应的电磁波自由空间波长)，该传感器可以集成在波导电路和系统中。金属材料在微波毫米波频段的保持具有很低的损耗，该磁导率传感器可以支持较大的功率容量。此外，由于波导腔体结构为封闭结构，不会产生电磁场的泄露，因此该磁导率传感器不受外界电磁环境的干扰，具有低串扰、高信噪比的优势。

综上，本发明提供了一种基于腔体局域场增强效应的高灵敏度磁导率传感器。该磁场传感器结构包括金属谐振腔、加载电容的宏观掺杂体、输入输出波导、载待测物质的微流管道。工作时，宏观掺杂结构与背景腔体发生强谐振，掺杂结构内部的磁场显著增强，从而微流道内微小的磁导率变化都会引起系统磁场储能的明显变化，导致系统输出响应的变化。我们通过测试频谱上透射峰移动的频率，或者在固定频点上观测传感器透射率的改变，即可得到磁导率的变化。整个传感器的尺寸和工作波长可比拟，有体积小的特点。而整体设计中采用的波导腔体结构，可以工作在微波、毫米波等高频段，且具有低串扰、易于封装集成的优势，为高效的微流控磁导率传感芯片提供了可靠平台。