CN108267642B - 一种微流体电特性微波检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流体电特性微波检测装置，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的两个对称的复合支节I和复合支节II，复合支节I和复合支节II均由多个终端开路的槽线支节组成，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，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。本发明的检测装置结构简单，灵敏度高，传感器上的复合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
本发明属于微波测量装置技术领域，具体涉及一种微流体电特性微波检测装置。
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惊人的发展，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。然而，因人们对微波同生物介质或者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。生物介质或者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，其引起测试信号的的微小，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的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Dong J, Shen F, Dong Y, et al. “Noncontact Measurement ofComplex Permittivity of Electrically Small Samples at Microwave Frequencies[J]”. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2016, 64(9):2883-2893.采用谐振法实现了电小尺寸样本的电特性测试，但属于窄带检测。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。很多微流体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。
鉴于此，本发明提出一种基于传输/发射法的宽带微流体电特性微波检测装置，该检测装置采用共面波导传输线加上微流通道构成，微流通道采用多个终端开路的槽线支节，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。
发明内容
为克服目前大多数微流体介电特性微波检测装置中对被检测样品的灵敏度的局限性，本发明的目的在于提供一种微流体的电参数的微波测量装置及测量方法。通过在共面波导传输线的中间导带上加载两个对称结构的多个终端开路的槽线支节提高检测灵敏度。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种微流体电特性微波检测装置，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的两个对称的复合支节I和复合支节II，复合支节I和复合支节II均由多个终端开路的槽线支节组成，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，复合支节II用于增强复合支节I上测试区域的电场强度及满足阻抗匹配进而提高检测的灵敏度和精确度，复合支节I和复合支节II之间设有间距用于保证信号正常传输而不受串扰，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，所述被测样品为块状固体可直接放置在测试区域，被测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。
进一步优选，所述共面波导传输线及复合支节I和复合支节II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，复合支节I和复合支节II均由6个终端开路的槽线支节组成，终端开路的槽线支节长度及缝隙宽度分别为1.7mm和0.15mm。
本发明所述的微流体电特性微波检测装置的检测方法，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中间导带上加载的两个复合支节的最佳尺寸，然后刻蚀介质基板得到检测装置，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，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，串联加载的复合支节I和复合支节II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灵敏度，将被测微流体放置于测试区域的微流管内，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被测微流体的介电常数
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，其被测物的介电特性将由训练好的网络根据其测试的散射参数信息正确输出。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：检测装置结构简单，灵敏度高，传感器上的复合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。本发明提出的检测装置因加载的两个相同且对称的复合支节，不但增强了测试区域内的电场，改善了阻抗匹配，减小了反射系数，且可以调节传感器的工作频带，较传统共面波导传输线测量，其灵敏度大大提高，可用于检测微小的样本。
附图说明
图1是本发明检测装置的结构示意图；
图2是本发明检测装置中微流管的结构示意图；
图3是本发明检测装置加载复合支节I与加载复合支节I、II的发射系数对比图；
图4是本发明检测装置加载复合支节I与加载复合支节I、II的传输系数对比图；
图5是本发明检测装置上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，6-终端短路的槽线支节，7-金属地，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，本发明所述的检测装置由双层板构成，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7，在中间导带5上刻蚀有两个相同的对称结构复合支节I和复合支节II，该复合支节I和复合支节II由6个终端开路的槽线支节6构成，在复合支节I的终端开路的槽线支节6上方粘贴有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，即本发明的测试区域为复合支节I的上的测试区域T，被测流体可通过微流管放置在复合支节I上的测试区域T上，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，该微流管的尺寸可以根据需要定制。
所述检测装置的工作频带受所加载的复合支节I和复合支节II的影响。如图1所示沿Y方向为信号传输方向，复合支节I和复合支节II关于X轴对称，且之间的距离不易太近，否则易引起信号串扰，本发明中两个对称复合支节之间的距离为4.2mm，通过FEM数值方法计算显示加上复合支节II稍增加了检测装置的工作频带，最大的结果是降低了反射系数，增强了复合支节I上测试区域的电场强度，其电场强度可达到105V。相比较与共面波导传输线方法，本发明采用加载的对称的复合支节I和复合支节II大大增强了测试区域的电场强度，在很大程度上提高检测灵敏度和精确度，但是牺牲了检测频带，既便如此，本发明依然属于宽带检测，其工作范围为8-18GHz。
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，其上加载的两个对称的复合支节I和复合支节II，该复合支节I和复合支节II均由终端开路的槽线支节组成，终端开路的槽线支节的长度和缝隙宽度分别为1.7mm和0.15mm，支节的个数为6个，终端开路的槽线支节的长度会影响传感器的工作频带。
图3和图4是提出的检测装置加载复合支节I和同时对称于X轴如图1所示加载复合支节I、II的散射参数对比，从图中可以看出，加载对称复合支节I和复合支节II后，改善了反射系数，稍微增宽了工作频带，使得工作频率从10-18GHz展宽为9-18GHz。从图3和图4中也可以看出，该检测装置在9-18GHz其反射系数S11小于-15dB，传输系数S21在-2dB以上，即该检测装置的工作频率为9-18GHz，属于宽带检测，图3和4中所示的D代表测量装置仅加载复合支节I，S代表测量装置同时加载复合支节I和复合支节II，其测试区域即传感器的终端开路的槽线支节如图1所示结构I的支节6部分的电场分布如图5所示，从图中可以看出，该检测装置的测试区域电场是整个检测装置中最强的并达到了105V，因此将被测样品加载在测试区域，其引起的信号可被检测装置敏感捕获到。且本发明提出的检测装置的尺寸为19.8mm*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。特别地，该发明所提出的检测装置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。
本发明提出的微流体的介电特性的计算过程如下所示：
1、首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线中间导带上加载的两个复合支节的最佳尺寸，然后刻蚀介质基板得到检测装置，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，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，串联加载的复合支节I和复合支节II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灵敏度，将被测微流体放置于测试区域的微流管内，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被测微流体的介电常数，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，其被测物的介电特性将由训练好的网络根据其测试的散射参数信息正确输出。
本发明提出的微流体电特性微波检测装置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。
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 (2)
1.微流体电特性微波检测装置的检测方法，其特征在于所述微流体电特性微波检测装置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的两个对称的复合支节I和复合支节II，复合支节I和复合支节II均由多个终端开路的槽线支节组成，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，复合支节II用于增强复合支节I上测试区域的电场强度及满足阻抗匹配进而提高检测的灵敏度和精确度，复合支节I和复合支节II之间设有间距用于保证信号正常传输而不受串扰，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；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；所述共面波导传输线及复合支节I和复合支节II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，复合支节I和复合支节II均由6个终端开路的槽线支节组成，终端开路的槽线支节长度及缝隙宽度分别为1.7mm和0.15mm；
所述微流体电特性微波检测装置的具体检测步骤为：
（1）首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线中间导带上加载的两个复合支节的最佳尺寸，然后刻蚀介质基板得到检测装置，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，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，串联加载的复合支节I和复合支节II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灵敏度，将被测微流体放置于测试区域的微流管内，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被测微流体的介电常数。
2.根据权利要求1所述的微流体电特性微波检测装置的检测方法，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，其被测物的介电特性将由训练好的网络根据其测试的散射参数信息正确输出。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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