CN110531166A - 一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，介电特性检测装置为两端口网络，具体包括三层结构，从下而上依次为金属地、介质层及金属导带；其中，所述金属地上间隔刻蚀四个互补开口谐振环，为实现宽带谐振，四个互补开口谐振环各不相同；所述金属导带上间隔刻蚀四个相同的交指电容，且交指电容与互补开口谐振环一一对应；在所述互补开口谐振环处设置了微流体通道，用于承载被测流体。本发明采用微带线技术，所有结构均采用PCB加工工艺，通过加载超材料结构不但大大提高了测试灵敏度，也实现了平面、价格低廉、易于集成及低剖面等优点。

Description

一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置
技术领域
本发明涉及一种微流体介电特性的宽带微波测量系统。属于微波测量技术领域，更具体地说，是设计一种基于超材料结构加载的宽带微带型电路的微流体介电特性测量装置。
背景技术
近年来，微流体介电特性的微波测试得到了国内外研究者的广泛关注，尤其是在生物医学、细胞学、食品化工等领域内。由于电测试具有24小时实时、在线、快速及免标签等优点，许多本征信息的检测都转向被研究对象的介电特性测试上，因此各种应用于生物医学、细胞学及分析化学等领域内的微波检测系统不断被报道。鉴于上述领域内的研究对象一般是微升或者纳升量级的微流体，在测试过程中引起的射频信号十分微弱，因此传统的微波测量方法如传输线法、自由空间法等方法自测试过程中易将微流体引起的信号淹没在测试系统的背景噪声中。因此各式各样的高灵敏度的测试系统及微流通道不断被提出，并被应用于单细胞、生物大分子重构及生物组织病变检测等，大部分测试属于窄带检测。但是文献提出了一种基于共面波导加载微流通道的宽带单细胞介电特性测量装置，该方法具有良好的测试效果，但微流通道采用微加工工艺构造，这增加了测量装置的造价，不利于广泛推广。
发明内容
本发明提出了一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性检测装置，该装置采用微带线技术，所有结构均采用PCB加工工艺，通过加载超材料结构不但大大提高了测试灵敏度，也实现了平面、价格低廉、易于集成及低剖面等优点。
本发明按以下技术方案实现：
一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，介电特性检测装置为两端口网络，具体包括三层结构，从下而上依次为金属地、介质层及金属导带；
其中，所述金属地上间隔刻蚀四个互补开口谐振环，为实现宽带谐振，四个互补开口谐振环各不相同；所述金属导带上间隔刻蚀四个相同的交指电容，且交指电容与互补开口谐振环一一对应；在所述互补开口谐振环处设置了微流体通道，用于承载被测流体。
进一步，互补开口谐振环Ⅰ为包含两个同心的不同边长的对称型方形环；其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙Ⅰ的长度相同，在内环的上下两个相间隔的缝隙Ⅱ的长度相同；内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有一个相同的开口。
进一步，互补开口谐振环Ⅱ为包含两个同心的不同边长的非对称型方形环；其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙Ⅲ、缝隙Ⅳ的长度不相同，在内环的上下两个相间隔的缝隙Ⅴ、缝隙Ⅵ的长度不相同；内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有一个相同的开口。
进一步，互补开口谐振环Ⅲ包含两个同心的不同边长的非对称型方形环；其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙a、缝隙b的长度不相同，在外环的左右两个相间隔的缝隙c、缝隙d的长度不相同，在内环的左右两个相间隔的缝隙e、缝隙f的长度不相同；内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有四个相同的开口。
进一步，互补开口谐振环Ⅳ包含两个同心的不同边长的对称型方形环；其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙g的长度相同，在外环的左右两个相间隔的缝隙h的长度相同；在内环的上下两个相间隔的缝隙i的长度相同，在内环的左右两个相间隔的缝隙j的长度相同；内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有四个相同的开口，且每一个开口位于每条缝隙的中间。
进一步，所述交指电容包括第一缝隙，第二缝隙及连接第一缝隙和第二缝隙的U型缝隙。
进一步，相邻两个互补开口谐振环之间的间距为2 mm，交指电容设置在开口谐振环内。
进一步，介电特性检测装置的输入端口和输出端口的阻抗为50欧姆。
进一步，微流通道是先用二甲基硅氧烷将最下层的金属地覆盖，但将各互补开口谐振环的电场最强的地方留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
通过有限元（FEM）算法对本发明提出的测试装置进行了三维数值仿真，结果显示该装置可在5-10GHz的频带内实现纳升量级的微流体介电特性的检测。与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提供的超材料结构加载的宽带微流体介电特性检测装置，所需的被测流体为纳升量级，可用于细胞学、生物大分子重构及蛋白质热变性等领域的应用。相比于现有技术方案，本发明的优点还在于：通过引入超材料结构，大大减小了测试装置的尺寸，并通过改变引入的互补开口谐振环的结构实现了宽带检测，且测试方法简单，易于集成，具有与其它装置组合成为分析系统的潜质，双端口测试可避免多解问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是底层金属地上加载的互补开口谐振环示意图；
图3 是上层金属导带上加载的交指电容的示意图；
图4 是本发明在空载时的散射参数示意图；
图5是本装置加载纳升量级的去离子水时的散射参数示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本发明的装置如图1所示包括包括输入端口1和输出端口2，两者均为微带传输线，具体包括底层金属地3，中间介质层4、上层金属导带5、刻饰在金属地3上的四个不同的互补开口谐振环以及刻饰在金属导带5上的四个相同的交指电容10。
需要说明的是，相邻两个互补开口谐振环之间的间距为2 mm，交指电容10设置在开口谐振环内。
如图2所示为刻饰在底层金属地3上的四个不同的互补开口谐振环，黑色代表厚度为18微米厚度的底层金属地，白色代表微带结构的中间介质层，从左至右依次为图1中所示的互补开口谐振环Ⅰ6、互补开口谐振环Ⅱ7、互补开口谐振环Ⅲ8和互补开口谐振环Ⅳ9。
继续参照图1所示，互补开口谐振环Ⅰ6为包含两个同心的不同边长的对称型方形环，如图1所示，在外环的上下两个缝隙Ⅰ11具有相同的长度，在内环的上下两个缝隙Ⅱ12具有相同的长度，内外环之间也具有相同的间隔13。
互补开口谐振环Ⅱ7为包含两个同心的不同边长的非对称型方形环，如图1所示，所谓非对称指图1中缝隙Ⅲ15长度及缝隙Ⅳ16长度不同，缝隙Ⅴ17长度及缝隙Ⅵ18长度也不同，除此之外图1中的互补开口谐振环Ⅱ7结构与互补开口谐振环Ⅰ6结构在其它方面具有相同的尺寸，包括内外环之间相同的间隔13及相同的开口14。
互补开口谐振环Ⅲ8为包含两个同心的不同边长的非对称型方形环，相比较与互补开口谐振环Ⅱ7的结构,此互补开口谐振环Ⅲ8的内外环分别包含四个开口14，所述的非对称指的是图1 中的缝隙a19长度和缝隙b20长度, 缝隙c21长度和缝隙d22长度及缝隙e23长度和缝隙f24长度分别具有不同的尺寸，而内外环之间的间隔13及开口14与互补开口谐振环Ⅰ6、互补开口谐振环Ⅱ7具有相同的尺寸。
互补开口谐振环9为包含两个同心的不同边长的对称型方形环，与图1中的互补开口谐振环Ⅲ8相比，所谓的对称型互补开口环的内外环也分别包含四个相同的开口14，且开口位于每条边的中间，即图1中的两个缝隙g25长度, 两个缝隙h26长度, 两个缝隙i27 长度及两个缝隙j28长度分别相同，内外环之间也与另外三个互补开口谐振环具有相同的间隔即13。特别地，介电特性检测装置的输入端口1和输出端口2的阻抗为50欧姆。
如图3所示为上层金属导带5上刻饰的四个相同的交指电容10，交指电容10包含刻饰在中间导带上的第一缝隙210，第二缝隙220及连接第一缝隙210和第二缝隙220的U型缝隙230。特别地，在提出的测试装置的电场最强的地方即底层刻饰的互补开口环处设置了微流体通道，用于承载被测流体。所述的微流通道的设计方案是先用二甲基硅氧烷（PDMS）将最下层的金属地覆盖，但将各互补开口环的电场最强的地方留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理，此方案实现微流体的直接接触式测试，并大大提高测量灵敏度。
微流体介电特性检测原理：
如图1所示，在微带线上加载的交指电容及互补开口谐振环与微带线共同组成了混合左右手传输线，交指电容和互补开口环可分别等效为磁偶极子和电偶极子，其混合效应是产生了一种等效的双负媒质即左手传输线。通过有限元三维仿真对所提出的结构进行优化，可使所提出的装置在28*15mm2的尺寸下实现宽带工作，即把整电磁波在3-11.5GHz内实现良好传播。本发明关于微流体介电特性的微波测试系统。其测试原理是通过分析测试装置加载被测物前后散射参数的变化情况提取其介电特性。与传统传输线测试方法相比，通过引入超材料结构可打破传统传输线测试方法的极限，大大减小被测物的体积，仅需12微升，同时可大大提高测量极限，研究表明本发明提出的装置对乙醇-去离子水的分辨率为0.2%，图4及图5分别给出了本发明空载及加载去离子水时的散射参数的信息。实验过程中，将所述的加载尾流通道的装置的两个端口分别与矢量网络分析仪的两个端口相连，先测试空载下的散射参数得图4，然后注入12微升的去离子水，得到相应的散射参数即图5。除此之外，本发明也可用于测量其他的微流体，由于采用了镀金处理，因此对腐蚀性的溶液也可以测试。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：介电特性检测装置为两端口网络，具体包括三层结构，从下而上依次为金属地、介质层及金属导带；
其中，所述金属地上间隔刻蚀四个互补开口谐振环，为实现宽带谐振，四个互补开口谐振环各不相同；
所述金属导带上间隔刻蚀四个相同的交指电容，且交指电容与互补开口谐振环一一对应；
在所述互补开口谐振环处设置了微流体通道，用于承载被测流体。
2.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：互补开口谐振环Ⅰ为包含两个同心的不同边长的对称型方形环；
其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙Ⅰ的长度相同，在内环的上下两个相间隔的缝隙Ⅱ的长度相同；
内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有一个相同的开口。
3.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：互补开口谐振环Ⅱ为包含两个同心的不同边长的非对称型方形环；
其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙Ⅲ、缝隙Ⅳ的长度不相同，在内环的上下两个相间隔的缝隙Ⅴ、缝隙Ⅵ的长度不相同；
内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有一个相同的开口。
4.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：互补开口谐振环Ⅲ包含两个同心的不同边长的非对称型方形环；
其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙a、缝隙b的长度不相同，在外环的左右两个相间隔的缝隙c、缝隙d的长度不相同，在内环的左右两个相间隔的缝隙e、缝隙f的长度不相同；
内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有四个相同的开口。
5.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：互补开口谐振环Ⅳ包含两个同心的不同边长的对称型方形环；
其中，在外环的上下两个相间隔的缝隙g的长度相同，在外环的左右两个相间隔的缝隙h的长度相同；
在内环的上下两个相间隔的缝隙i的长度相同，在内环的左右两个相间隔的缝隙j的长度相同；
内外环之间具有相同的间隔，内外环上各有四个相同的开口，且每一个开口位于每条缝隙的中间。
6.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：所述交指电容包括第一缝隙，第二缝隙及连接第一缝隙和第二缝隙的U型缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：相邻两个互补开口谐振环之间的间距为2 mm，交指电容设置在开口谐振环内。
8.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：介电特性检测装置的输入端口和输出端口的阻抗为50欧姆。
9.根据权利要求1所述的一种超材料结构加载的宽带微流体介电特性测试装置，其特征在于：微流通道是先用二甲基硅氧烷将最下层的金属地覆盖，但将各互补开口谐振环的电场最强的地方留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
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