CN105629078A - 一种微量液体介电常数测试传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量液体介电常数测试传感器，本发明的技术方案要点是，一种微量液体介电常数测试传感器，传感器为两端口器件，其包括两个相同的3dB威尔金森功分器和相位差为180度的两条支路；一路为参考支路，另一条路为测量支路，被测物与参考物分别放置于两条支路上；传感器的两端口与矢量网络分析仪相连。本发明在测试微量液体介电常数方面有明显的优势，其灵敏度高，可以捕捉到微量被测物引起的微弱的信号。

Description

一种微量液体介电常数测试传感器

技术领域：

本发明涉及微量液体介电常数的测试，特别是一种微量液体介电常数测试传感器。

背景技术：

自从1967年N.H.Williams报道了微波可以加快某些化学反应的相关研究结果以来，微波能的应用都凸显着巨大的生命力。现在，微波技术已被广泛应用于生物医学、食品化工、细胞分子学及医学化工等领域并取得了巨大的经济效益。因此研究微波与样本之间的相互作用并获得样本的高频电参数，是一个非常关键的研究内容，得到了国内外科技工作者的高度重视和广泛研究。

对于蛋白质热变性、双层脂膜，单细胞特性、生物学细胞等领域及产出率低的十分珍贵的样本，高频电测量方法因其设备成本低、免标记、测量速度快等优点，受到越来越多的关注。如在细胞学领域，细胞的各个组成部分的信息均包含在其电特性里，在生物经济时代，细胞的电特性对其研究具有重要的意义。但是这些小量样本的体积很小，在探测过程中引起的微波/射频信号十分微弱，这些微弱的信号往往被淹没在不可避免的强背景噪声中。为提高介电常数测量的灵敏度，国际上一些研究小组开始把目光集中在优化器件与改善探测方法以实现敏锐的捕捉微弱信号上来。最初的研究主要通过选择更为灵敏的传输线（共面波导）、设计更为严密的盛放样本的微流通道的方法，这些方法甚至被用来探测low-K物质的介电谱。但是遗憾的是，微波频率下，传输线自身的背景信号无法避免，微量样本引起的微弱的信号的捕捉存在很大的局限性，且从探测到的微波/射频信号（S参数）中提取介电常数时面临着复杂的去嵌入过程。因此，需要提供另选的更有效更灵敏的测量方法来测量微量样本的等效介电常数。

发明内容：

本发明的目的是设计一种结构合理、使用效果好的微量液体介电常数测试传感器。

本发明的技术方案是，一种微量液体介电常数测试传感器，其特征在于：传感器为两端口器件，其包括两个相同的3dB威尔金森功分器和相位差为180度的两条支路；一路为参考支路，另一条路为测量支路，被测物与参考物分别放置于两条支路上；传感器的两端口与矢量网络分析仪相连。所述的测量支路由共面波导结构的180度移相器组成。所述的参考支路为共面波导传输线组成。所述的180度移相器为单螺旋形状。按照该方法设计的新型传感器可消除背景噪声，大大提高灵敏度。

本发明在测试微量液体介电常数方面有明显的优势，其灵敏度高，可以捕捉到微量被测物引起的微弱的信号，实测结果表明被测物仅需要160nl，在参考塑料管中盛满去离子水，测试塑料管中不同体积引起的传输参数的频偏，可以看出随着被测物体积的增大，传输参数频偏越大，信号越易被探测，当被测物体积达到160nl，传输参数的频偏不再变化，因此只要被测物为160nl，就不会影响测试信号。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明所述的被测物体积大小引起的信号变化的数据图，

图3是本发明所述的180度移相器的结构示意图。

具体实施方式：

结合附图详细描述实施例，

本发明的测量装置，包括两个相同的威尔金森功分器，测量支路和参考支路，两只路之间有180度相差，这个相差由宽带单螺旋形状的180度移相器5产生如图3所示。本发明的结构示意图如图1所示，其中威尔金森功分器由共面波导1和耦合共面波导2组成，测量支路3采用如图3所示的共面波导结构的移相器，参考支路4为共面波导传输线。本例在测量区和参考区粘贴有盛放被测物的容器,容器的中心位于移相器的共面波导传输线的中心。为便于加工及测试，本例中功分器的输入阻抗为50欧姆，两个输出阻抗为75欧姆，则参考支路与测量支路的阻抗也为75欧姆。为提高传感器的工作性能，在各不连续地方均焊接有引线。本例被测介质为微量液体，容器为常用的塑料管，其截面形状为圆形，半径为2mm，采用导电胶直接粘在测量区和参考区，塑料管无底，这样可以使被测液体充分影响传感器中电磁波的传输特性（散射参数）。在参考容器中盛满参考溶液（本例选择去离子水），测试容器中盛放不同体积不同介电常数的被测液体时传输参数的相位变化（相对于中心频率的频偏）。实验证明，本发明的测量灵敏度非常高，当被测物体积达到160nl便不再影响测试结果，因此本发明提出的方法可探测到160nl液体引起的微弱的射频信号。

本发明提出的传感器与共面波导传输线测试结果的对比：测试过程中，参考物为去离子，待测物为不同浓度的乙醇溶液；本发明的方法是参考物和待测物分别放在参考区和测量区的塑料管中；共面波导传输线测试方法是参考物和待测物分别放在共面波导传输线的两条缝隙中。结果表明，本发明提出的方法灵敏度比共面波导传输线的测试方法约高30倍。

本发明的微量液体介电常数测量传感器，对测量支路及参考支路的阻抗无特别要求，只要与功分器的输出阻抗相匹配即可。对于测量区与参考区也无具体要求，可以在参考支路及测试支路中任意位置划定，且盛放待测物和参考物的容器无特殊要求。因此采用共面波导传输线构造传感器，更便于实现高灵敏度测试及小型化制作。

经研究表明，依据幅度相同相位相反的两路信号相消的理念设计的相消型传感器在探测微量液体产生的微弱射频信号十分敏感，其散射参数会随着测量支路上被测物介电常数的变化而变化。该发明技术先进，规避了常规的强背景信号，实现弱背景信号下强变化的信号提取，测试灵敏度高，可以敏感地探测到纳升量级溶液引起的微弱射频信号。

如图1所示，信号从传感器的A端口输入，经3-dB威尔金森功分器被分成幅度相等、相位相反的两路。这两路信号分别经过参考支路与测量支路后同时到达第二个功分器，然后从B端口输出。当参考物与测试物相同时，由于两支路有180度的相位，两路信号到达第2个功分器时幅度相同，相位相反，完全可以抵消。当参考物与测试物不同时，两路信号的微小差异将显示在传感器的两端口散射参数(S参数)中。

本发明正是利用了微波的上述传输原理，设计出了尺寸与阻抗合适的相消型传感器，并在参考支路与测量支路中加工有盛放液体物质的容器，使得被测物充分影响传感器中电磁波的传输。通过测得的散射参数再结合神经网络方法实现被测物介电常数的获得。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微量液体介电常数测试传感器，其特征在于：传感器为两端口器件，其包括两个相同的3dB威尔金森功分器和相位差为180度的两条支路；一路为参考支路，另一条路为测量支路，被测物与参考物分别放置于两条支路上；传感器的两端口与矢量网络分析仪相连。

2.如权利要求1所述的一种微量液体介电常数测试传感器，其特征在于：所述的测量支路由共面波导结构的180度移相器组成。

3.如权利要求1所述的一种微量液体介电常数测试传感器，其特征在于：所述的参考支路为共面波导传输线组成。

4.如权利要求1所述的一种微量液体介电常数测试传感器，其特征在于：所述的180度移相器为单螺旋形状。