CN110501355A - 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器 - Google Patents

平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN110501355A
CN110501355A CN201910947739.6A CN201910947739A CN110501355A CN 110501355 A CN110501355 A CN 110501355A CN 201910947739 A CN201910947739 A CN 201910947739A CN 110501355 A CN110501355 A CN 110501355A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
rectangular
hough transform
ocsrr
area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910947739.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110501355B (zh
Inventor
李杰森
王志强
李国锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN201910947739.6A priority Critical patent/CN110501355B/zh
Publication of CN110501355A publication Critical patent/CN110501355A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110501355B publication Critical patent/CN110501355B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明属于微波感测技术领域，涉及平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器。所述的检测传感器的方形OCSRR固定在单面FR4基板顶表面上，在方形OCSRR的顶部存在矩形检测区。矩形检测区为矩形结构，方形OCSRR的两条输出端与矩形检测区内的两条输入端连接。所述的矩形结构外部为三面的金属矩形框，金属矩形框的两端悬空，矩形检测区内的两条金属线位于金属框内部，两条金属线的一端均为悬空设置。金属线在金属框内部呈矩形回环设置。两条金属线互相平行，内部金属线的方向与外金属线的方向相反。本发明采用滴入式的方式，直接滴入置放待测夜于感测区上方，不须额外制作高精密度微流道。感测端适合大量制作，后端处理电路简单。

Description

平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器
技术领域
本发明属于微波感测技术领域，涉及平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器。
背景技术
微波感测是一种可靠的液体表征方法，已在过去十年中得到应用。开环谐振器(SRR)，互补SRR(CSRRs)，开放式CSRR(OCSRRs)和其他共振腔颗粒，与传输线隔离或耦合的传输线已成为用于传感应用的相当大的关注焦点。这些颗粒的电磁特性取决于液体变量的共振频率偏移和品质因数变化。通过测量反射系数和透射系数，可以获得液体样品的复介电参数。这为生物、制药和燃料行业提供了一个新的传感平台。大多数微波传感器放置在超圆柱形管道中或开槽圆柱形腔体由标准聚四氟乙烯(PTFE)管支撑。通常，特定频率下的双端口透射系数的大小可用于计算损耗电阻并提取样本损耗角正切。但是，高损耗材料的分辨率是一个问题。
且大多数方法需要额外的毛细管或微流体通道来加载测试样品。另外的激光蚀刻聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流体通道通常集成在平面谐振器的最敏感区域。当流体填充在微流体通道中时，谐振器的谐振频率由于有效介电常数的变化而移动。许多传感器使用一定体积的样品液体进行测量以填充管道或毛细管以进行实时监测。也可以使用额外的制造夹具来渗透与传感器结合的样品液。但是，此需要一定体积的液体来分析介电特性。特别是在生物和化学溶剂检测中，有限体积的液体样品是限制液体材料分析的实际问题。
开放式互补开口环谐振器OCSRR原是用于合成左手材料的经过修改的CSRR。通过实验验证对OCSRR和CSRR进行的比较表明，OCSRR的电感是CSRR的四倍，电容大致相等。OCSRR的谐振频率是CSRR的一半，因此，由于OCSRR结构的电感更高，这种谐振器的电气尺寸更小。因此，OCSRR可用于应用中的小型化，其中微尺度样品用于测试。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器。
本发明的技术方案：
一种平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器，包括：方形OCSRR，矩形检测区和容器槽。
所述的方形OCSRR固定在单面FR4基板顶表面上，在方形OCSRR的顶部存在矩形检测区。所述的矩形检测区为矩形结构，方形OCSRR的两条输出端与矩形检测区内的两条输入端连接。所述的矩形结构外部为三面的金属矩形框，金属矩形框的两端悬空，矩形检测区内的两条金属线位于金属框内部，两条金属线的一端均为悬空设置。金属线在金属框内部呈矩形回环设置。两条金属线互相平行，内部金属线的方向与外金属线的方向相反。矩形检测区产生强电场，
图2显示了没有样品的矩形检测区的模拟电场。
所述的容器槽采用不导电的材料制成，设置在矩形检测区上表面。容器槽与矩形检测区上表面之间设有保护层，保护层位于液体和金属之间，并且容器槽垂直于检测区域。
图3(a)显示了电感和OCSRR。在设计中使用半过滤型传感器。它包括集总表面贴装器件(SMD)电感器和OCSRR。设计过程如下：首先，模拟谐振器的电流路径，产生磁场，有效地充当电感。图3(b)显示了在谐振频率下将电感加入到所提出的OCSRR之前的电流分布。通过谐振器的金属桥的右角可以观察到强电流路径。通过用集总电感代替这些导电金属桥，可以增加总电感。在所提出的半集总结构中，使用来自Murata GRM系列的尺寸为0603的78-nH芯片电感来降低工作频率。谐振方程表示电感与谐振频率之间的关系；也就是说，整体电感随着谐振频率的降低而增加。
进一步的，采用FR4(玻璃纤维增强环氧树脂层压板)基板材料上制造并附着在传感器检测区域的顶部，并且不需要光刻或化学处理过程。FR4基板制造的容器具有高强度重量比的电绝缘体，具有高介电强度和耐潮湿性。FR4材料系列层压板可以很容易地制成测试容器板材。在FR4材料层压板上制造待测液体容器是通过普通的刀具雕刻机。在所提出的情况下，容器被设计成具有特定的尺寸并放在谐振器上传感器检测区域表面。制造技术简单，不需要复杂精确的光刻，晶圆上的旋涂或其他化学处理，有效降低了制造成本和微波传感中液体容器的挑战。对于围绕检测区域的容器，可以在无样品条件下校准小介电常数对传感器激发的扰动效应。FR4具有许多有利的特性，例如通用性，易加工性，耐腐蚀性和低成本。
所提出的结构是通过反射波宽带信号激发的CPW。当RF信号输入CPW时，使用微波激发OCSRR。在谐振期间，电场在OCSRR的间隙上更强，因此，环槽对于改变的介电常数敏感。OCSRR和常见电路模型的电磁特性，如图4所示。
本发明的有益效果：
本发明利用高频电磁波物理现象量测液体介电质。采用滴入式的方式，直接滴入置放待测夜于感测区上方，不须额外制作高精密度微流道。感测端适合大量制作，后端处理电路简单。
附图说明
图1为集成的MOCSRR的三维图与容器槽。
图2(a)顶视图的电场分布。
图2(b)在共振频率下没有样品的横截面电场分布。
图3(a)电感与MOCSRR的电流分布。
图3(b)在插入SMD电感组件代替金属桥之后。
图3(c)谐振期间金属桥上没有SMD组件。
图4本发明传感器辐射二维区域等效电路和阻抗网络。
图5不同体积的去离子水的量测结果。
图6为测量空气，甲醇，丁醇，乙醇和去离子水的S11图。
图7为测量数据，传感器谐振频率与相应待测液体介电常数的模拟结果。测量数据与重复性测试的标准偏差。
图8为测量数据，谐振频率下dB幅度的模拟结果以及相应的待测液体损耗角正切，测量数据与重复性测试的标准偏差。
图9为水-乙醇混合物的计算值和实际值之间的比较。频率取决于液体的复介电常数。取决于dB幅度的介电常数(右轴)和损耗角正切(左轴)的比率，εr的范围在80和20之间，并且损耗角正切在0.12和0.28之间。
具体实施方式
本发明采用的FR4容器的内部尺寸为7.5×7.5mm2，以覆盖传感器检测区域。容器高度为1.6毫米，为调节待测液体的体积提供了足够的空间。容器的宽度和长度(即c1和c2)分别比检测区域传感器的宽度(4.1×4.6mm2)大3.4和2.9mm，以确保待测液体暴露在侧面的电场中容器。
进行了待测液体体积对反射陷波频率和分贝影响的参数研究。评估传感器的不同体积的待测液体，图5显示测量结果。评估S11对于放置在检测区域上的0.02,0.04,0.06,0.08和0.1mL的去离子(DI)水的不同体积。选择去离子水是因为它具有高介电常数，适用于限制测试。图9显示，通过将样品液体的体积从0.02增加到0.1mL，共振频率降低，并且S11值增加。在初始区域(0.02mL至0.08mL)，共振频率随待测液体体积而变化。在随后的区域(0.08mL至0.1mL)，共振频率是恒定的。随着液体体积的进一步增加，S11的变化可以忽略不计。电辐射场集中在传感器的铜表面上。覆盖液体样品并进一步增加待测液体体积(>0.08mL)不会影响电磁能量，并且有效介电常数不会改变。因此，对于体积传感应用，必须在第一区域中进行操作，而对于液体表征，应使用第二区域。一旦达到一定的体积，共振频率就变得恒定。饱和点定义为液体传感应用所需的最小体积。使用微量移液管获得正确体积的待测液体(>0.08mL)，并测试不同体积的待测液体，表明传感器可成功检测到介电常数为1至80的液体。传感器对所有待测液体体积表现出相同的行为。
四种液体量测结果：
在100-375MHz的频率范围内测量液体复合物介电常数。将温度保持在室温(25℃)。在实验中使用的待测液体是去离子(DI)水(ε'＝80，ε“＝9.2)，甲醇(ε'＝35，ε”＝5.13)，乙醇(ε'＝22，ε“＝6.6)，和丁醇(ε'＝17，ε“＝7.21)。将这些样品材料(>0.08mL)加载到检测区域上并进行表征以验证所提出的传感器设计。图6显示了具有高介电常数的不同液体的计算参数响应的结果。结果揭示了不同液体之间的明显区别。待测液体介电特性受温度影响。关于测量的可重复性和待测液体材料的稳定性，待测液体样品应存放在恒温器(25℃)壁橱中。在测量过程中，实验室环境应保持在25℃的稳定状态，并加热空气-水热交换器设备。测量应在短时间内进行，以避免因温度而发生变化。
评估空气以校准空检测区域的测量值，而其他四种材料的相应液体填充在该区域中。结果表明，对于空的，充满空气的检测区域，OCSRR传感器的测量谐振频率为330MHz，回波损耗为62dB。使用微量移液管注射和控制待测液体。S参数的变化在30秒内记录并传输到计算机。对于甲醇和去离子水样品，共振频率分别为231和204MHz，回波损耗分别为37.41和40.53dB。对于乙醇和丁醇样品，共振频率分别为264和284MHz，回波损耗分别为34.31和29.56dB。在DI水和空气(空通道)的共振频率之间观察到126MHz的差异，而在甲醇和空气的共振频率之间观察到99MHz的差异。
ANSYS高频结构模拟器(HFSS)18.2用作模拟工具来提取S11散射参数。HFSS软件是一种全波频域三维电磁场求解器，通过应用金标准精度的有限元法(FEM)对结构进行建模并计算频域中的电磁场。有限元方法积分方程混合技术是建立在HFSS和域分解方法(DDM)的基础上，用于求解复杂材料中高几何细节的局部区域。然后，HFSS 18.2使用基于字段的自适应网格来获得最终网格。如前所述，使用恒定的复介电常数值对模拟中使用的待测液体材料，水，甲醇，乙醇和丁醇性质进行建模。模拟在频率(MHz)中移位，并且在四种情况下S11反射系数(dB)导致绘图作为拟合曲线格式并与测量数据一起。在MHz范围内的ε'函数的计算机模拟在图8中描绘为虚线。图9中描绘的以dB为单位的损耗角正切函数由虚线表示。所提出的传感器的所有几何参数.EM仿真与感兴趣区域中的纯待测液体测量一致。
在操作共振频率下，传输系数S21约为-0.1至-0.2dB(与液体样本无关)。在共振频带处，从端口1到端口2的功率传输几乎为99％。即使传感器加载待测液体，对于四个待测液体，S11约为-30至-60dB。S21在谐振区域的功率损耗约为-0.2dB。对于高损耗液体检测几乎无损耗操作，并且待测液体吸收了非常小的功率。该特性适用于生物医学应用。
为了简化计算，然后使用一组指数函数(5)和(6)来推导介电常数和谐振频率(以MHz为单位)和损耗角正切与液体复介电常数之间的测量结果，分别。表征测量结果的方程式如下：
ε'(MHz)＝11845exp(-1×f0(MHz)/40.61)+0.8419 (5)
loss tangent(S11(dB))＝9.946exp(S11(dB)/9.345)-0.0168 (6)
实施结果：
为了验证所提出的用于估计待测液体的复介电常数和准确度的方法，使用DI水/乙醇混合物在10％-100％的范围内进行另外的实验，步长为10％用于液体的乙醇浓度。样本。在样品中，0％乙醇表示100％去离子水。在容器中装入各种浓度的乙醇，并与单独的DI水进行比较。图9显示了在使用具有不同相对复数介电常数的浓度材料加载传感器后使用矢量网络分析仪获得的测量频率响应。变化的混合物浓度对应于共振频率和幅度的等效变化。
对于乙醇浓度分别为100％和10％，共振频率从fo＝264.3MHz(-34.15dB)变为fo＝211.2MHz(-40.92dB)，因此证明了介电常数为53.1MHz(6.77dB)的偏移为了简化问题，使用(5)和(6)获得测量数据，以近似样本的频移，dB因子变化和复数介电常数之间的相互依赖性。结果表明，使用所提出的方法计算的复介电常数的估计值与文献中的一致。然而，在高乙醇分数值的文献中观察到测量值和数据之间的微小差异。基于重复性测试，在100％乙醇测量中观察到3MHz标准偏差。由(5)计算待测液体乙醇的3MHz变化值得到介电常数1.59，其ε'为23.59。如果文献中有5％的不确定性。

Claims (1)

1.一种平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器，其特征在于，包括：方形OCSRR，矩形检测区和容器槽；
所述的方形OCSRR固定在单面FR4基板顶表面上，在方形OCSRR的顶部存在矩形检测区；所述的矩形检测区为矩形结构，方形OCSRR的两条输出端与矩形检测区内的两条输入端连接；所述的矩形结构外部为三面的金属矩形框，金属矩形框的两端悬空，矩形检测区内的两条金属线位于金属框内部，两条金属线的一端均为悬空设置；金属线在金属框内部呈矩形回环设置；两条金属线互相平行，内部金属线的方向与外金属线的方向相反；
所述的容器槽采用不导电的材料制成，设置在矩形检测区上表面；容器槽与矩形检测区上表面之间设有保护层，保护层位于液体和金属之间，并且容器槽垂直于检测区域。
CN201910947739.6A 2019-10-08 2019-10-08 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器 Active CN110501355B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910947739.6A CN110501355B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910947739.6A CN110501355B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110501355A true CN110501355A (zh) 2019-11-26
CN110501355B CN110501355B (zh) 2021-12-03

Family

ID=68593175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910947739.6A Active CN110501355B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110501355B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111077170A (zh) * 2019-12-25 2020-04-28 杭州电子科技大学 基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器
CN111122981A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 杭州电子科技大学 用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106329145A (zh) * 2016-09-08 2017-01-11 哈尔滨工程大学 一种基于微带线馈电的ocsrr缝隙天线
CN108169573A (zh) * 2017-12-18 2018-06-15 河南师范大学 基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置
CN109039330A (zh) * 2018-05-25 2018-12-18 杭州电子科技大学 一种基于cmrc结构的便携式材料介电常数测量系统
JP2019037664A (ja) * 2017-08-28 2019-03-14 学校法人立命館 生体検知装置
CN110165353A (zh) * 2019-05-17 2019-08-23 杭州电子科技大学 同时测量磁介质材料介电常数和磁导率的高q有源谐振器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106329145A (zh) * 2016-09-08 2017-01-11 哈尔滨工程大学 一种基于微带线馈电的ocsrr缝隙天线
JP2019037664A (ja) * 2017-08-28 2019-03-14 学校法人立命館 生体検知装置
CN108169573A (zh) * 2017-12-18 2018-06-15 河南师范大学 基于微流通道电场增强的小尺寸样品介电特性检测装置
CN109039330A (zh) * 2018-05-25 2018-12-18 杭州电子科技大学 一种基于cmrc结构的便携式材料介电常数测量系统
CN110165353A (zh) * 2019-05-17 2019-08-23 杭州电子科技大学 同时测量磁介质材料介电常数和磁导率的高q有源谐振器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHIEH-SEN LEE 等: "Open Complementary Split-Ring Resonator for Eye Tracking", 《 IEEE-MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM (IMS)》 *
PARIS VELEZ 等: "Modeling and Analysis of Pairs of Open Complementary Split Ring Resonators (OCSRRs) for Differential Permittivity Sensing", 《IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE WORKSHOP SERIES ON ADVANCED MATERIALS AND PROCESSES (IMWS-AMP 2017)》 *
YOU-REN WANG 等: "Using Open Complementary Split-Ring Resonators for Blood Coagulation Detection", 《2016 IEEE 5TH ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (APCAP)》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111077170A (zh) * 2019-12-25 2020-04-28 杭州电子科技大学 基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器
CN111122981A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 杭州电子科技大学 用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器
CN111122981B (zh) * 2019-12-25 2022-02-18 杭州电子科技大学 用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器
CN111077170B (zh) * 2019-12-25 2022-02-22 杭州电子科技大学 基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN110501355B (zh) 2021-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Open complementary split-ring resonator sensor for dropping-based liquid dielectric characterization
Ansari et al. Multi-band RF planar sensor using complementary split ring resonator for testing of dielectric materials
Silavwe et al. A microfluidic-integrated SIW lab-on-substrate sensor for microliter liquid characterization
Gregory et al. A review of RF and microwave techniques for dielectric measurements on polar liquids
Amin et al. Polyvinyl-alcohol (PVA)-based RF humidity sensor in microwave frequency
Armghan et al. Characterization of dielectric substrates using dual band microwave sensor
Bao et al. Modeling of coplanar interdigital capacitor for microwave microfluidic application
Chudpooti et al. Nano-fluidic millimeter-wave lab-on-a-waveguide sensor for liquid-mixture characterization
Chudpooti et al. In-situ self-aligned NaCl-solution fluidic-integrated microwave sensors for industrial and biomedical applications
Albishi et al. Three-dimensional split-ring resonators-based sensors for fluid detection
Bakır et al. Metamaterial sensor for transformer oil, and microfluidics
Abd Rahman et al. Planar microwave sensors for accurate measurement of material characterization: A review
Jiang et al. Ultra-compact effective localized surface plasmonic sensor for permittivity measurement of aqueous ethanol solution with high sensitivity
CN110501355A (zh) 平面微波腔体滴入式液体介电质值检测传感器
Sorocki et al. Direct broadband dielectric spectroscopy of liquid chemicals using microwave-fluidic two-wire transmission line sensor
Liu et al. Improve planar multiple split-ring sensor for microwave detection applications
Omam et al. Simple and high-sensitivity dielectric constant measurement using a high-directivity microstrip coupled-line directional coupler
Tümkaya et al. Metamaterial-based high efficiency portable sensor application for determining branded and unbranded fuel oil
Cao et al. Robust and sensitive metamaterial-inspired microfluidic sensor for liquids with low dielectric constants
Piekarz et al. Microwave-microfluidic sensor in hybrid 3-D printing and laminate technology for chemicals monitoring from differential reflection
Bouchalkha et al. Planar Microstrip Antenna Sensor for pH Measurements
Beria et al. Highly sensitive miniaturized octagonal DS-CSRR sensor for permittivity measurement of liquid samples
Al-Mudhafar et al. High-precise microwave active antenna sensor (MAAS) formulated for sensing liquid properties
Muñoz-Enano et al. On the Capacitance of Slotted Metamaterial Resonators for Frequency-Variation Permittivity Sensing
CN114354652A (zh) 基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant