CN108051455A - 一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器 - Google Patents
一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器，包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带上的多个终端开路的槽线支节，该终端开路的槽线支节用于聚集电场进而提高检测的精确度和灵敏度，终端开路的槽线支节上设有用于放置被测生物样本的测试区域，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。本发明的测试装置结构简单，灵敏度高，传感器上终端开路的槽线支节采用传统的刻蚀工艺加工，价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。
Description
技术领域
本发明属于生物样本介电特性测量装置技术领域，具体涉及一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器。
背景技术
在电磁场生物医学领域，生物样本的电测量因其具备非破坏性、实时在线检测、免标签、精确度高等优点获得了众多研究者的青睐。各式各样的检测生物样本的微波装置不断被提出。但因生物样本的体积十分微小，其体积在纳升量级，对检测的灵敏度和精确度提出了很高的要求，否则这些微小体积引起的微弱信号将被淹没在测试装置的背景噪声中。一般来说生物样本的介电特性测量方法可以分为谐振法和非谐振法，谐振法的特点是具有很高的灵敏度高和很准的精确度，但是属于窄带和非接触性测试。非谐振法的特点是设备简单、测试灵敏度低但属于宽带，可实现接触性和非接触性测量。文献“NoncontactMeasurement of Complex Permittivity of Electrically Small Samples atMicrowave Frequencies[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2016, 64(9):2883-2893.”报道采用谐振法实现了小尺寸样本块状固体的介电特性测试，但是属于窄带检测。非谐振法是实现宽带检测的主要方法，而传输/反射法是非谐振法中应用最为广泛的。很多生物样本的介电测量方法均采用共面波导传输线，并在其中间导带加载微流通道，但是没有考虑到增强微流通道的电场，也没有考虑阻抗匹配，致使整个检测装置上电磁最强的部分集中在共面波导传输线的两条传输缝隙中，且微流通道还需要采用特殊的工艺进行加工，这大大增加了传感器的加工成本和难度，很难用于批量生产和在大范围内推广使用，还只能检测液体样本。鉴于此，本发明提出了一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器，该微波传感器采用在共面波导传输线中间导带上加载多个共面波导开路支节，这大大增强了测试区域的电场，从而使检测灵敏度大大提高，且可检测固体样本。
发明内容
为克服目前大多数生物样本微波检测装置中对被检测样品的属性的严格要求，本发明提供了一种用于测量生物样本的介电特性的微波传感器，通过在共面波导传输线的中间导带上加载多个终端开路的槽线支节来提高检测精确度和灵敏度。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带上的多个终端开路的槽线支节，该终端开路的槽线支节用于聚集电场进而提高检测的精确度和灵敏度，终端开路的槽线支节上设有用于放置被测生物样本的测试区域，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
进一步优选，所述被测生物样本为块状固体可直接放置在测试区域，被测生物样本为流体或固体粉末可通过弓字型微流管加载在测试区域，该弓字型微流管通过导电胶粘贴在测试区域。
进一步优选，所述共面波导传输线及多个终端开路的槽线支节均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.15mm和2.3mm，终端开路的槽线支节的缝隙宽度为0.15mm，终端开路的槽线支节的长度为1.7mm，个数为6个。
本发明所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器的测量方法，其特征在于具体步骤为：
（1）首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线及其中间导带上加载的终端开路的槽线支节的最佳个数，同时确定各个部分的实际尺寸，然后刻蚀介质基板得到微波传感器，共面波导传输线两端的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连；
（2）根据微波传输特性，微波信号由输入端口输入，经终端开路的槽线支节，最后到达输出端口，串联加载的多个终端开路的槽线支节使测试区域具有很强的电场，进而大大提高测量的精确度和灵敏度，将被测生物样本放置于测试区域，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有被测生物样本介电特性的信息，最后采用BP神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测生物样本的介电特性。
进一步优选，步骤（2）的具体过程为：首先采用有限元FEM对不同电特性的被测生物样本引起的散射参数的幅度和相位信息进行仿真，获得训练神经网络所需的大量的样本；其次选择合适的神经网络和算法，建立测试的散射参数信息与被测生物样本的介电特性之间的关系，并用得到的样本数据训练神经网络，不断调控神经网络的参数直至达到网络具有智能输出的能力，即网络可以依据不断变化的输入信息正确地给出输出信息；最后将不同的样本引起的测量装置的散射参数的信息输入到训练好的网络，其介电特性将被正确输出。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：测试装置结构简单，灵敏度高，传感器上终端开路的槽线支节采用传统的刻蚀工艺加工，价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。本发明提出的传感器因并联加载多个终端开路的槽线支节，使测试区域具有很强的电场，较传统共面波导传输线测量，其测量灵敏度大大提高，可用于检测微小的生物样本。
附图说明
图1是本发明微波传感器的结构示意图；
图2是本发明微波传感器中微流管的结构示意图；
图3是本发明微波传感器的散射参数；
图4是本发明微波传感器测试区域的场分布示意图。
图中：1-介质基板，2-金属层，3-共面波导传输线，4-信号传输缝隙，5-中间导带，51-金属地，6-终端开路的槽线支节，7-测试区域，8-输入端口，9、输出端口。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。如图1所示，本发明所述的微波传感器由双层构成，其底层为介质基板1，上层为金属层2，在金属层2上刻蚀有共面波导传输线3，其包括两条信号传输缝隙4、中间导带5和金属地51，在中间导带5且远离两端馈线部分并联加载有多个终端开路的槽线支节6，该终端开路的槽线支节6上设有用于放置被测生物样本的测试区域7，如果被测生物样本是流体可通过将被测生物样本加入弓字型微流管加载在测试区域7上，如果被测生物样本是固体可直接放置在测试区域7上而无需微流管。终端开路的槽线支节既要满足阻抗匹配又要聚集大量的电场以提高检测的精确度和灵敏度，其配合使用的微流管结构如图2所示。所述微波传感器的工作频带受所加载的终端开路的槽线支节的影响。介质基板1的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板1的厚度为0.8mm，共面波导传输线3的两条信号传输缝隙4的宽度为0.15mm，共面波导传输线3的中间导带5的宽度为2.3mm，其上加载的终端开路的槽线支节6的缝隙宽度为0.15mm，终端开路的槽线支节6的长度为1.7mm，个数为6个。测试时将微波传感器的输入端口8和输出端口9分别与矢量网络分析仪相连。
图3给出了本发明微波传感器的散射参数信息，从中可以看出，该微波传感器在10-18GHz其反射系数S11小于-15dB，传输系数S21在-2dB以上，即该微波传感器的工作频率为10-18GHz，属于宽带检测。该我播传感器测试区域电场是整个装置中最强的并达到了105V，因此将被测生物样本加载在测试区域，其引起的信号可被传感器敏感捕获到。且本发明提出的微波传感器的尺寸为13.8mm*12.5mm*0.8mm，可以很方便地与其它电路设备集成为微分析系统。
所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器的测量方法，具体步骤为：
1、首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线及其中间导带上加载的终端开路的槽线支节的最佳个数，同时确定各个部分的实际尺寸，然后刻蚀介质基板得到微波传感器，共面波导传输线两端的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连；
2、根据微波传输特性，微波信号由输入端口输入，经终端开路的槽线支节，最后到达输出端口，并联加载的多个终端开路的槽线支节使测试区域具有很强的电场，且在工作频带内满足阻抗匹配，进而大大提高测量的精确度和灵敏度，将被测生物样本放置于测试区域，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有被测生物样本介电特性的信息，最后采用BP神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测生物样本的介电特性，具体过程为：首先采用有限元FEM对不同电特性的被测微流体引起的散射参数的幅度和相位信息进行仿真，获得训练神经网络所需的大量的样本；其次选择合适的神经网络和算法，建立测试的散射参数信息与被测微流体的介电特性之间的关系，并用得到的样本数据训练神经网络，不断调控神经网络的参数直至达到网络具有智能输出的能力，即网络可以依据不断变化的输入信息正确地给出输出信息；最后将不同的样本引起的测量装置的散射参数的信息输入到训练好的网络，其介电特性将被正确输出。
本发明提出的用于检测生物样本的介电特性的微波传感器，全部采用共面波导传输线和槽线构造，且各部分无需焊接引线，携带方便，易于与其它电路集成为微分析系统的潜质，该发明所提出的微波传感器由共面波导传输线组成，其最大的优点是可以根据阻抗特性需要合理安排传感器的尺寸，该阻抗特性为共面波导传输线的阻抗由中间导带和两条信号传输缝隙的比值决定，因此该发明可根据所测样品的属性、特点加工出更加合理的尺寸。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (5)
1.一种用于测量生物样本介电特性的微波传感器，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带上的多个终端开路的槽线支节，该终端开路的槽线支节用于聚集电场进而提高检测的精确度和灵敏度，终端开路的槽线支节上设有用于放置被测生物样本的测试区域，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
2.根据权利要求1所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器，其特征在于：所述被测生物样本为块状固体可直接放置在测试区域，被测生物样本为流体或固体粉末可通过弓字型微流管加载在测试区域，该弓字型微流管通过导电胶粘贴在测试区域。
3.根据权利要求1所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器，其特征在于：所述共面波导传输线及多个终端开路的槽线支节均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.15mm和2.3mm，终端开路的槽线支节的缝隙宽度为0.15mm，终端开路的槽线支节的长度为1.7mm，个数为6个。
4.一种权利要求1-3中任意一项所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器的测量方法，其特征在于具体步骤为：
（1）首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线及其中间导带上加载的终端开路的槽线支节的最佳个数，同时确定各个部分的实际尺寸，然后刻蚀介质基板得到微波传感器，共面波导传输线两端的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连；
（2）根据微波传输特性，微波信号由输入端口输入，经终端开路的槽线支节，最后到达输出端口，加载的多个终端开路的槽线支节使测试区域具有很强的电场，进而大大提高测量的精确度和灵敏度，将被测生物样本放置于测试区域，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有被测生物样本介电特性的信息，最后采用BP神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测生物样本的介电特性。
5.根据权利要求4所述的用于测量生物样本介电特性的微波传感器的测量方法，其特征在于步骤（2）的具体过程为：首先采用有限元FEM对不同电特性的被测生物样本引起的散射参数的幅度和相位信息进行仿真，获得训练神经网络所需的大量的样本；其次选择合适的神经网络和算法，建立测试的散射参数信息与被测生物样本的介电特性之间的关系，并用得到的样本数据训练神经网络，不断调控神经网络的参数直至达到网络具有智能输出的能力，即网络可以依据不断变化的输入信息正确地给出输出信息；最后将不同的样本引起的测量装置的散射参数的信息输入到训练好的网络，其介电特性将被正确输出。
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