详情

原文传递一种毫米波生物传感器及其设计方法

专利名称：	一种毫米波生物传感器及其设计方法
摘要：	本发明提供了一种毫米波生物传感器及其设计方法，其综合了由传感器阵列构成的生物传感载片、由超再生放大器电路阵列、信号检出电路构成的生物信息检测通路和由超再生放大器电路、信号检出电路构成的生物信息校准通路。其中在传感器阵列中的CPW传感器阵列和差分检测传感器阵列来加载生物载片，增加待测生物样本量并提高灵敏性，增加了同步测量多类生物信息的通道。同时通过设置超再生放大器及其阵列对由生物传感载片的载片信号进行放大，并输出至信号检出电路，信号检出电路在检测信号幅度的同时可以监测信号的相位信息，增加了测量的生物信息的多样性进，同时能加速明确生物信息特征，进一步提高了生物传感器的灵敏度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	杭州电子科技大学
发明人：	苏国东;董洪成;乐熠;孙玲玲;刘军;陈津
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-07T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-07T00:00:00+0800
申请号：	CN202310983755.7
公开号：	CN117007612A
代理机构：	杭州天昊专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	董世博
分类号：	G01N22/00;A61B5/0507;G;A;G01;A61;G01N;A61B;G01N22;A61B5;G01N22/00;A61B5/0507
申请人地址：	310000 浙江省杭州市下沙高教园区
主权项：	1.一种毫米波生物传感器，其特征在于，包括：生物传感载片、生物信号校准通路和生物信息检测通路；生物传感载片，根据选取的测试模式，将输入端获取的毫米波信号通过对应的生物传感器阵列加载参考材料或不同待测物的生物载片，一个输出端向生物信号校准通路输出校准信号，另一个输出端向生物信息检测通路输出不同待测物的生物载片输出信号；生物信号校准通路，用于放大和检测空载或者加载参照物材料的生物载片输出信号，所述生物信号校准通路包括超再生放大电路和第一信号检出电路；所述超再生放大电路将输入端接收的校准信号放大后，输出放大信号至第一信号检出电路进行幅度或幅度与相位测试，并通过输出端输出测试结果；生物信息检测通路，用于放大和检测加载不同待测物的生物载片输出信号，所述生物信息检测通路包括超再生放大电路阵列和第二信号检出电路；所述超再生放大电路阵列包括至少一个超再生放大电路，所述超再生放大电路阵列将接收的生物载片输出信号放大后，输出放大信号至第二信号检出电路进行幅度或相位与相位测试，并通过输出端输出测试结果。 2.根据权利要求1所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述生物传感器阵列分为CPW传感器阵列和差分检测传感器阵列；所述生物传感载片的测试模式包括单端测试模式和差分测试模式，所述单端测试模式对应生物传感器阵列中的CPW传感器阵列，所述差分测试模式对应生物传感器阵列中的差分检测传感器阵列。 3.根据要求2所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述CPW传感器阵列包括至少一个单端传感器单元，每个单端传感器单元均包括金属层和设于金属层中部的阶跃阻抗谐振器；所述金属层的端部设有馈电端口，所述阶跃阻抗谐振器的端部设有沿金属层端部方向延伸且设于馈电端口之间的阻抗变换器，所述阶跃阻抗谐振器的顶部设有马头槽型液体容器，所述马头槽型液体容器的底部设有开口。 4.根据要求2所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述差分检测传感器阵列包括至少一个差分传感器单元，每个差分传感器单元均包括差分馈电端口和至少一条微带线，每一微带线与差分馈电端口之间设有阻抗变换器，每一微带线上设有一沿微带线方向延伸的槽线，其顶部设有马头槽型液体容器，所述马头槽型液体容器的底部设有开口。 5.根据要求1所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述超再生放大电路包括依次连接的低噪声放大器和压控振荡器，所述低噪声放大器包括低噪声放大器单元和可变增益低噪声放大器单元，低噪声放大器将接收的生物载片信号放大后，通过调整可变增益低噪声放大器单元调整信号的增益，以将信号进行二次放大；所述压控振荡器用于调整低噪声放大器输出信号的调谐带宽。 6.根据要求1所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述第一检出电路和第二检出电路均包括切换开关、幅度检测电路和幅度与相位检测电路，所述切换开关包括两个输出端，一个输出端连接于幅度检测电路，另一个输出端连接于幅度与相位检测电路，所述幅度检测电路和幅度与相位检测电路的输出端相互连接；所述切换开关能够在幅度检测电路和幅度与相位检测电路之间切换。 7.根据权利要求6所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述幅度检测电路包括依次连接的包络检波器电路和中频放大器，所述包络检波器包括第一检波开关M7和第二检波开关M8，所述第一检波开关M7和第二检波开关M8的源极连接于电源，第一检波开关M7和第二检波开关M8的栅极均连接有隔直电容和偏置电路，所述偏置电路的一端连接于对应的检波开关和隔直电容之间，另一端连接外部信号；所述第一检波开关M7和第二检波开关M8的漏极通过低通滤波器共同接地。 8.根据权利要求6所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述幅度与相位检测电路包括依次连接的下变频混频器和中频放大器，所述下变频混频器包括第一混频开关组和第二混频开关组、巴伦变压器、第一变压器和第二变压器，所述第一混频开关组和第二混频开关组的源极连接于巴伦变压器的输出端，其漏极连接于第一变压器原边的输入端，其副边连接电源；所述第一混频开关组包括源极相连的混频开关M9、M10，所述第二混频开关组包括源极相连的混频开关M11、M12；所述第一混频开关组中的混频开关M9、M10的漏极与第二混频开关组中的混频开关M11、M12的漏极交叉相连，所述第一混频开关组中混频开关M1的栅极连接于第二变压器原边正极输入端。 9.根据权利要求8或7所述的毫米波生物传感器，其特征在于，所述中频放大器包括频率开关和第一放大开关组、第二放大开关组；所述第一放大开关组和第二放大开关组的一端共同连接于电源，另一端通过频率开关共同接地。 10.一种毫米波生物传感器及其设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：步骤1：生物传感载片设计；设计CPW传感器阵列，CPW传感器阵列包括至少一个单端传感器单元，每个单端传感器包括馈电端口、阶跃阻抗谐振器、阻抗变换器，金属层和顶部的马头槽型液体容器；所述CPW传感器阵列采用硅基晶圆级封装工艺制造；在每个单端传感器单元的上方利用3D打印技术，将树脂材料打印成马头槽型液体容器；所述马头槽型液体容器下方开口联通每个单端传感器单元金属之间的缝隙；设计差分检测传感器阵列，所述差分检测传感器阵列包括至少一个差分传感器单元，每个差分传感器单元包括差分馈电端口、两条刻蚀S型槽微带线、阻抗变换器和顶部的马头槽型液体容器；在槽线的上方利用3D打印技术，将树脂材料打印成马头槽型液体容器；步骤2:进行超再生放大器电路及其阵列设计；所述超再生放大器电路由低噪声放大器和压控振荡器构成，生物传感载片后的信号经过低噪声放大器单元放大后，根据信号的强度调整可变增益低噪声放大器单元的增益进行二次放大；所述低噪声放大器的噪声由低噪声放大器单元负责，通过改变可变增益低噪声放大单元增益来动态调节低噪放的功耗；所述压控振荡器采用对称的负阻单元来维持电路输出稳定的信号；步骤3：第一信号检出电路和第二信号检出电路设计；所述第一信号检出电路和第二信号检出电路中的幅度信号检测电路由包络检波器电路和中频放大器构成，所述幅度与相位检测电路由下变频混频器和中频放大器构成；所述下变频混频器采用CMOS无源双平衡结构，由4个开-关状态的MOS晶体管组成，通过本振信号驱动，下变频混频器的输入信号与单位幅值本振信号相乘；所述中频放大器置于混频器的中频信号输出端之后；步骤4：进行整体电路设计；所述毫米波生物传感器由生物传感载片、生物信息检测通路和生物信号校准通路组成；所述生物传感载片由CPW传感器阵列和差分细胞检测传感器阵列组成；所述生物信号校准通路超再生放大电路和第一信号检出电路组成，用于放大和检测空载或者加载参照物材料的生物载片输出信号；所述生物信号检测通路由超再生放大电路阵列和第二信号检出电路组成，用于放大并检测加载不同待测物的生物载片输出信号，最终将信息传输至外部信号处理模块进行最终处理和换算。
所属类别：	发明专利