CN108169573A - 基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，包括矢量网络分析仪和传感器，其中传感器由上下设置的金属层和介质基板构成，金属层上刻蚀有共面波导传输线，该共面波导传输线包括两条信号传输缝隙、中间导带和金属地，在中间导带上串联加载有由矩形电容与槽线支节组成的测试区域，槽线支节垂直连接于矩形电容的两侧并且该槽线支节与两条信号传输缝隙垂直连接。本发明的测试装置结构简单，灵敏度高，传感器上的测量区域即矩形电容及两端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，可实现在线实时检测。
Description
技术领域
本发明属于微波测量装置技术领域，具体涉及一种基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置。
背景技术
随着微波技术的应用在生物学、细胞学、食品化工及电磁兼容等领域内不断取得突破性发展，许多新兴的交叉学科应运而生，如微波化学、电磁场生物医学等。然而，因人们对微波同生物介质或化学物质相互作用机理研究不足，导致了微波技术在上述领域内的应用依然面临很多技术壁垒。生物介质或化学物质的电参数是反映微波与其相互作用的重要参数，如在生物学领域，像蛋白质热变性、双层质膜、单细胞特性以及在微波化学领域内非热效应的研究，都是通过分析生物或化学物质介电特性的变化展开研究的。这些领域内的研究对象十分微小即被测对象为微流体，其引起的测试信号较为微弱，因此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。一般来说微流体的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和精确度，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，但是属于宽带测试，可实现接触性和非接触性测量。
很多小尺寸样品的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信号传输缝隙中，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，并且只能用于检测液体样品。鉴于此，本发明提出了一种基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，该检测装置采用共面波导传输线加载微流通道构成，微流通道采用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，并且可用于检测固体样品。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且测试灵敏度较高的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，该检测装置可用于检测流体、粉末及块状固体的介电特性。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，其特征在于包括矢量网络分析仪和传感器，其中传感器由上下设置的金属层和介质基板构成，金属层上刻蚀有共面波导传输线，该共面波导传输线包括两条信号传输缝隙、中间导带和金属地，在中间导带上串联加载有由矩形电容与槽线支节组成的测试区域，槽线支节垂直连接于矩形电容的两侧并且该槽线支节与两条信号传输缝隙垂直连接，测试区域与共面波导传输线串联，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，两条信号传输缝隙上加载槽线支节的缝隙宽度为0.15mm，矩形电容尺寸为3.4mm*2.8mm。
进一步优选，所述测试样品为块状固体可直接放置在测试区域，测试样品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。
本发明所述的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置的检测方法，具体过程为：微波信号由输入端口输入，经测试区域，最后到达输出端口，通过槽线支节串联加载的矩形电容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，提高检测灵敏度，将测试样品放置于测试区域，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测试样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演测试样品的介电常数。
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，传感器上的测量区域即矩形电容及两端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，可实现在线实时检测。本发明提出的传感器因加载的矩形电容及两端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，较传统共面波导传输线测量，其灵敏度大大提高，可用来测量微小样品的介电常数。
附图说明
图1是本发明传感器的结构示意图；
图2是本发明传感器中微流管的结构示意图；
图3是本发明传感器的散射参数；
图4是本发明传感器测试区域加载聚四氟乙烯时的散射参数。
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-槽线支节，7-矩形电容，8-输入端口，9-输出端口，T-测试区域。
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，本发明所述的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，包括矢量网络分析仪和传感器，其中传感器由双层构成，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加载有由槽线支节6与矩形电容7组成的测试区域T，其中槽线支节6垂直连接于矩形电容7的两侧并且该槽线支节6与两条信号传输缝隙4垂直连接，测试区域T与共面波导传输线3串联，共面波导传输线3的输入端口8和输出端口9分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连，共面波导传输线3上加载的测试区域T在工作频点满足50Ω阻抗匹配的要求。如果被测样品是流体或固体粉末，可在测试区域T上通过导电胶粘贴弓字型的用于放置被测样品的微流管，该微流管的结构如图2所示；如果被测样品是流体可通过微流管放置在传感器的测试区域T上，如果被测样品是固体可直接放置在矩形电容7上而无需使用微流管。加载的槽线支节6和矩形电容7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，传感器的工作频点受所加载的槽线支节6和矩形电容7的尺寸影响。
所述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，共面波导传输线的两条信号传输缝隙的宽度为0.15mm，共面波导传输线的中间导带的宽度为2.3mm，其上加载的槽线支节的缝隙宽度为0.15mm，矩形电容的尺寸为3.4mm*2.8mm，测试时将传感器的输入端口和输出端口分别与矢量网络分析仪相连。
所述被测样品是固体可直接放置在测量装置的测量区域T上；如果所述被测样品是流体或者固体粉末，可通过一个弓字型塑料管放置在测量区域，所述的弓字型塑料管的形状如图2所示，其尺寸可自由定制，本发明选择的弓字型塑料管的直径为2mm，高度为3mm，中间部分长度为3mm，该弓字型塑料管可通过导电胶粘贴在传感器的测量区域。
图3是提出的传感器不放置任何被测样品时的散射参数，从图中可以看出，在测量频点，反射系数S11低至-28dB，传输系数S21在-2dB以上，图4是传感器加载1mm*1mm*1mm的聚四氟乙烯后的散射参数，对比图3和4可知加载的小尺寸的被测物后，散射参数的幅度和相位发生了明显的改变，本发明正是根据这样的变化，再结合神经网络方法反演被测样品的介电特性。
运用FEM数值计算对提出的传感器的测量区域的电场进行了计算，结果显示，矩形电容即本发明提出的传感器的测量区域的电场达到了2.0889*105V，即达到了增强测量区域电场的目的。本发明提出的传感器较共面波导传输线测量方法相比，牺牲了带宽，但是大大增强了测量区域的电场，提高了测量灵敏度。可针对性地实现小尺寸样品介电特性的测量。且本发明提出的传感器的尺寸为15mm*12.5 mm*0.8mm,可以很方便地与其他电路设备集成为微分析系统。该发明所提出的传感器由共面波导传输线组成，其最大的优点是可以根据其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。
研究表明，共面波导传输线在介电常熟测量方面得到了广大研究者的喜爱，其典型特点是超宽带和较好的灵敏度。其测量原理是，当电磁波沿共面波导传输线传播时，如遇到周围有其它介质，则共面波导传输线的两端口散射参数将发生变化，且对于不同的介质，散射参数的变化信息也不一样。即当将被测样品放置在共面波导传输线上时，相当于在传输线上引入了不连续性结构，这种不连续性结构将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的有样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含样品的散射参数信息反演被测样品的介电常数。本发明正是基于上述的微波传输原理实现样品介电特性检测的，由于共面波导传输线信号最强的部分为两条信号传输缝隙，而针对大多数样品必须放置在共面波导传输线的中间导带上，为增强其电场，特在其上加载了两条槽线支节和矩形电容，按照这种方式设计的传感器，可使测试区域电场大大增强，使被测样品可以充分被电磁波影响，从而提高了检测灵敏度，这是以牺牲带宽为代价的，依据上述尺寸，本发明提出的传感器的工作频点为8GHz。
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 (4)
1.基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，其特征在于包括矢量网络分析仪和传感器，其中传感器由上下设置的金属层和介质基板构成，金属层上刻蚀有共面波导传输线，该共面波导传输线包括两条信号传输缝隙、中间导带和金属地，在中间导带上串联加载有由矩形电容与槽线支节组成的测试区域，槽线支节垂直连接于矩形电容的两侧并且该槽线支节与两条信号传输缝隙垂直连接，测试区域与共面波导传输线串联，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所述的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，其特征在于：所述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，两条信号传输缝隙上加载槽线支节的缝隙宽度为0.15mm，矩形电容尺寸为3.4mm*2.8mm。
3.根据权利要求1所述的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置，其特征在于：所述测试样品为块状固体可直接放置在测试区域，测试样品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。
4.一种权利要求1-3中任意一项所述的基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置的检测方法，其特征在于具体过程为：微波信号由输入端口输入，经测试区域，最后到达输出端口，通过槽线支节串联加载的矩形电容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，提高检测灵敏度，将测试样品放置于测试区域，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测试样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演测试样品的介电常数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180615 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |