CN110207737A - 线阵列结构的微带天线传感器系统、传感器、检测及制备方法 - Google Patents

线阵列结构的微带天线传感器系统、传感器、检测及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种线阵列结构的微波化学传感器系统，用于化学参数及温湿度检测，该微波传感器系统包括：衬底；及微带天线，包括：形成于衬底上的彼此绝缘的平行排布的线阵列结构及与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线，所述微带天线用于响应于作用其上的高频场；其中，所述引线远离所述线阵列结构的一端为接线端；根据引线引出的端口的数量所述接线端为单端口或者多端口；所述接线端用于连接信号采集装置。本申请还相应的提供了基于其的传感器、检测方法及制备方法。本申请的微波化学传感器系统检测时的响应区分度更大，可获得更好的检测效果。

Description

线阵列结构的微带天线传感器系统、传感器、检测及制备方法
技术领域
本发明涉及微波化学检测技术领域，尤其涉及一种线阵列结构的微波化学传感器系统、传感器、检测及制备方法。
背景技术
微波化学检测领域与电化学检测领域有所区别，电化学领域通常是检测被检测对象的电参数反应，即通过检测电压、电流的大小来确定被测对象的参数(如浓度、纯度等)。而微波化学检测领域并不直接检测被检测对象的电参数反应，其原理与电化学检测完全不同。微波化学检测通常是采用高频场，将高频信号直接作用于被检测对象，或作用于被检测对象的载体上，通过检测被测对象或载有被检测对象的载体对高频场的极化反应实现对被检测对象的检测。
随着微加工技术的发展，基于微机电系统(MEMS，Microelectro MechanicalSystems)技术的微传感器得到广泛的发展，具有小型化、灵敏度高、易于集成等特点。而同时在无线通信技术中，微带天线已经成为最具有发展前景的天线类型之一，因具有小体积、轻重量、低剖面、可共形、易极化、易生产和低成本等优点，也受到广泛关注。
本申请人已经关注到，微带天线对高频场的极化性能因作用物质不同而有所改变，因此微带天线具有作为化学传感器的潜质，用于检测所作用的物质，并基于响应的极化结果可实现对被检测对象的检测，因此，基于微带天线传感器可视为微波化学检测领域下的一个特定分类。
申请人在研究中发现，当微带天线作为化学传感器采用如图6示出的微带天线时，由于叉指型微带天线所产生的响应区分度较小，并不完全适用于化学参数的检测，因此检测的灵敏度会受到影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种线阵列结构的微波化学传感器系统及制备方法，以作为化学传感器检测时具有更高的灵敏度。
本发明提供的线阵列结构的微波化学传感器系统，用于微波化学参数及温湿度检测，该微带天线传感器系统包括：
衬底；及
微带天线，包括：形成于衬底上的彼此绝缘的平行排布的线阵列结构及与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线，所述微带天线用于响应于作用其上的高频场；
其中，所述引线远离所述线阵列结构的一端为接线端；根据引线引出的端口的数量所述接线端为单端口或者多端口；所述接线端用于连接信号采集装置。
由上，该线阵列结构微波化学传感器系统相比背景技术中的叉指型微带天线，响应区分度更大。可获得更好的检测效果。
较佳的，组成所述线阵列的线形天线的宽度、高度和相邻两线形天线的间距介于1纳米至200微米之间。
由上，微带天线的间距和线宽的变化会影响其极化特性。本实施例中，线宽度、高度和两者的间距介于0.01微米至200微米之间。由于线条宽度小于等于微米级，使得传感器高频段响应信号极大提高。
较佳的，衬底为：硅、二氧化硅、玻璃、PET、PI、PDMS、ITO、任何金属、碳及衍生物、任何氧化物或任何聚合物。
由上，上述材质的衬底具有良好的绝缘的作用。
较佳的，所述衬底厚度介于0.1微米至100毫米之间。
较佳的，所述微带天线的材料为导电材料，包括：金、铜、铂、碳及衍生物、ITO、任何聚合物或任何氧化物。
较佳的，所述引线相邻或相接的设置于所述线阵列结构的以下其一位置：左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧；
其中，所述引线形状包括：方形、圆形、三角形及其组合。
本发明提供的一种传感器，包括上述方案所述的线阵列结构的微波化学传感器系统；还包括：固定在所述线阵列结构的表面的敏感膜。
由上，可以使用该传感器实现基于微波(即高频场)的化学参数及温湿度检测。
本发明提供的采用上述传感器的检测方法，包括步骤：
对表面固定有敏感膜的线阵列结构施加高频场；
通过与接线端连接的信号采集装置采集线阵列对所述高频场的响应信号；其中，根据接线端端口的数量，所述响应信号包括单端口反射信号或多端口的透射信号；
根据所述响应信号分析极化结果获得检测结果。
本发明提供的第一种制备上述方案所述的线阵列结构的微带天线传感器系统的方法，包括：
在衬底上旋涂光刻胶；
对所旋涂的光刻胶进行光刻，光刻出所述线阵列结构模型；
在已光刻有线阵列结构模型的衬底上，溅射导电材料，去除剩余的光刻胶和金属层，以形成线阵列结构；
通过硬模板遮盖的方法，形成与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线，其中所述引线位于所述线阵列结构的以下其一位置：线阵列结构的左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧。
本发明提供的第二种制备上述方案所述的线阵列结构的微波化学传感器系统的方法，包括：在衬底上通过印刷的方法形成所述的线阵列结构微带天线；以及在通过印刷的方法在线阵列结构区域左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧形成引线。
由上，可以根据工艺成本、精度等需要，采用上述任一方式制备所述线阵列结构的微波化学传感器系统。
附图说明
图1为本发明线阵列结构微波化学传感器系统平面示意图；
图2为本发明线阵列结构微波化学传感器系统的立体示意图；
图3为将线阵列结构由叉指型引线和普通叉指型结构都作为微带天线置于介电常数为2左右的样液中的高频信号图；
图4为本发明线阵列结构微波化学传感器系统制备流程的示意图；
图5为本发明线阵列结构微波化学传感器系统制备流程的示意图；
图6为现有的叉指型微带天线的示意图；
图7为本发明线阵列结构微波化学传感器系统制备方法的示意图；
图8为本发明线阵列结构微波化学传感器系统制备方法的示意图。
具体实施方式
本发明的线阵列结构的微波化学传感器系统，由衬底(3)和尺寸在小于微米级平行排布的线阵列结构的微带天线构成。该微带天线可提供增强的电场分布，在电化学测量中，如对物质含量、组分、形状等高频参数检测过程中，提高了测量中响应的稳定性和响应灵敏度。
下面参照各附图对本发明的传感器系统进行详细说明。如图1和图2示出了该传感器系统示意图，包括：
衬底101，该衬底可以为硅、二氧化硅、玻璃、PET(聚对苯二甲酸类塑料)、PI(聚酰亚胺塑料)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、ITO(N型氧化物半导体-氧化铟锡)、任何金属、碳及衍生物、任何氧化物、任何聚合物等柔性材料构成，厚度介于0.1微米至100毫米之间。
微带天线，包括：形成于衬底上的彼此绝缘的平行排布的线阵列结构102及与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线103。具体地，所述引线相邻或相接的设置于所述线阵列结构的以下其一位置：左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧；其中，所述引线形状包括：方形、圆形、三角形及其组合。所述微带天线用于响应于作用其上的高频场；其中，所述引线远离所述线阵列结构的一端为接线端；所述接线端用于连接信号采集装置，根据引线引出的端口的数量，所述接线端为单端口或者多端口。
线阵列结构的材料为导电材料，如包括金/铜/铂等任何金属、碳及衍生物、ITO、任何聚合物、任何氧化物。该微带天线呈线阵列结构，线条之间彼此平行。该线阵列结构微带天线极短的间距可以提供增强的电场分布，不同于背景技术中所述叉指型微带天线间断的电场分布，较之提高了响应信号。
其中，微带天线的间距和线宽的变化会影响其极化特性。本实施例中，线宽度、高度和两者的间距介于0.01微米至200微米之间。由于线条宽度小于等于微米级，使得传感器高频段响应信号极大提高。
另外需要说明的是，申请人仿真了整体呈叉指型微带天线传感器，即图6所示，但如图3所示的将叉指型和线阵列结构都作为微带天线置于介电常数为2左右的样液中的高频信号图；其中，线阵列结构微带天线的传感器具有更高的响应幅度，可见，线阵列结构微带天线传感器可获得更好的检测效果。
本发明还提供了一种化学传感器，该化学传感器包括上述线阵列结构以及由此引出的引线，除此之外，还包括固定在所述线阵列结构表面的敏感膜，例如该敏感膜为具有甲胎蛋白的抗体膜，从而形成对甲胎蛋白检测的线阵列结构微带天线传感器系统。
如图4、7所示，为采用MEMS技术制备线阵列结构微带天线传感器系统方法流程的示意图。该例中，以制备对湿度检测的微带天线传感器为例，对该制备方法进行说明，包括下述步骤：
步骤S201：在衬底401上，如PET衬底上旋涂光刻胶402(AZ-4620)，厚度1微米；
步骤S202：对所旋涂的光刻胶进行光刻露出线阵列结构型模型403：紫外光光刻形成的线阵列结构图形403，线条宽0.1微米，间距1微米；
步骤S203：在已光刻有线阵列结构图形的衬底上，溅射金属层404：溅射20nm铬，100nm金，形成线阵列结构图形；其中金层作为电镀种子层，铬层作为金层和抛光玻璃衬底之间的粘结层，
步骤S204：去除剩余的光刻胶和电镀种子层：用去胶液、去除光刻胶，衬底表面保留由金形成的线阵列结构405的微带天线系统。
步骤S205：在线阵列结构区域两侧，用硬模板遮盖的方法，露出引线图形405，溅射20nm铬，100nm金，形成微带天线引线。
当采用上述工艺制备的线阵列结构微带天线系统进行测试时，将两支引线的一支作为输入端，一支作为输出端，连接馈电线，用于被测物湿度的测试。
如图5、8所示，为采用印刷电路工艺制备线阵列结构微带天线传感器系统方法流程的示意图。以制备对甲胎蛋白检测的微带天线传感器为例，包括下述步骤：
步骤S301：在PI衬底501表面电路板印刷金属镍，形成线阵列结构以及与其垂直的叉指型引线，以形成由线阵列结构和叉指型引线一起组成的微带天线502；
步骤S302：进行生物敏感膜503的固定，本例为：采用自组装的方法在金天线表面固定甲胎蛋白的抗体，从而形成对甲胎蛋白检测的线阵列结构微带天线系统。
由上，即可应用于对甲胎蛋白检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线阵列结构的微波化学传感器系统，用于化学参数及温湿度检测，其特征在于，该微波化学传感器系统包括：
衬底；及
微带天线，包括：形成于衬底上的彼此绝缘的平行排布的线阵列结构及与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线，所述微带天线用于响应于作用其上的高频场；
其中，所述引线远离所述线阵列结构的一端为接线端；根据引线引出的端口的数量所述接线端为单端口或者多端口；所述接线端用于连接信号采集装置。
2.根据权利要求1所述的微波化学传感器系统，其特征在于，组成所述线阵列结构的线形天线的宽度、高度和相邻两线形天线的间距介于1纳米至200微米之间。
3.根据权利要求1所述的微波化学传感器系统，其特征在于，衬底为：硅、二氧化硅、玻璃、PET、PI、PDMS、ITO、任何金属、碳及衍生物、任何氧化物或任何聚合物。
4.根据权利要求1所述的微波化学传感器系统，其特征在于，所述衬底厚度介于0.1微米至100毫米之间。
5.根据权利要求1所述的微波化学传感器系统，其特征在于，所述微带天线的材料为导电材料，包括：金、铜、铂、碳及衍生物、ITO、任何聚合物或任何氧化物。
6.根据权利要求1所述的微波化学传感器系统，其特征在于，所述引线相邻或相接的设置于所述线阵列结构的以下其一位置：左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧；
其中，所述引线形状包括：方形、圆形、三角形及其组合。
7.一种传感器，其特征在于，包括权利要求1至6中任一所述的线阵列结构的微波化学传感器系统；还包括：
固定在所述线阵列结构表面的敏感膜。
8.一种采用权利要求7所述传感器的检测方法，其特征在于，包括步骤：
对表面固定有敏感膜的线阵列结构施加高频场；
通过与接线端连接的信号采集装置采集线阵列结构对所述高频场的响应信号；其中，根据接线端端口的数量，所述响应信号包括单端口反射信号或多端口的透射信号；
根据所述响应信号分析极化结果获得检测结果。
9.一种制备权利要求1至7任一所述的线阵列结构的微波化学传感器系统的方法，其特征在于，包括：
在衬底上旋涂光刻胶；
对所旋涂的光刻胶进行光刻，光刻出所述线阵列结构模型；
在已光刻有线阵列结构模型的衬底上，溅射导电材料，去除剩余的光刻胶和金属层，以形成线阵列结构；
通过硬模板遮盖的方法，形成与所述线阵列结构相邻或相接设置的引线，其中所述引线位于所述线阵列结构的以下其一位置：线阵列结构的左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧。
10.一种制备权利要求1至7任一所述的线阵列结构的微波化学传感器系统的方法，其特征在于，包括：
在衬底上通过印刷的方法形成所述的线阵列结构微带天线；以及在线阵列结构区域的左右两侧、左右两侧中的其中一侧、上下两侧、或者上下两侧中其中一侧形成引线。
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