[发明专利]一种基于腔体局域场增强的高灵敏度磁导率传感器

说明书

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。

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。