CN111007322A - 基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，用于测量电解质溶液的复介电常数。由顶层至底层包括微带线结构、介质层、金属薄片、刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域，该区域放置由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成的微流控芯片并在芯片内的注射电解质溶液，通过矢量网络分析仪(VNA)测量传感器S参数曲线。本发明具极高的横向灵敏度(>7MHz)以及Q值，保证了测量的准确度。

Description

基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种微带线激励传感器，特别涉及一种基于互补开环谐振器(complementary split-ring resonator—CSRR)的用于测量电解质溶液的复介电常数的差分微波微流体传感器。
背景技术
电解质溶液复介电常数(εr＝ε′r(1-jtanδe),ε′r表示介电常数,tanδe表示损耗值)的准确测量对于生物电磁学和微波化学等领域都是至关重要。微波与电解质会发生相互作用，其中微波能量的吸收率与电解质的复介电常数有着密切关系。在工业上，了解各种电解质材料的复介电常数，可以进一步了解其材料对微波的吸收和反射情况，这对于如何提高微波能源的利用率等问题有着重要意义。
随着微波技术在众多行业(如军事、医学、食品、化工及气象学等领域)中的快速发展，各种类型的射频微波器件被逐渐开发和应用，其中用于测量电解质材料复介电常数的微波传感器的研究一直受到学者的广泛关注。用来测量复介电常数的方法有很多，主要分为谐振法和非谐振法。谐振法中最典型的方法是谐振腔法，这种测量方法几乎不存在外界因素对测量的干扰，因此它是目前为止测量电解质材料复介电常数最为准确的一种方法。谐振腔法的设计思路是将固定尺寸的待测样本放入谐振腔内设定好的位置，然后根据谐振腔的S参数的变化和质量因子Q值的差异来反推出待测样本的复介电常数。在现有基于谐振原理的小型化微波传感器中，对电解质材料的复介电常数传感表征具有相同的特性，即它们都会降低谐振频率和质量因子。谐振频率的变化量决定了传感器横向灵敏度的大小，谐振频率变化量越大，横向灵敏度就越高；质量因子的大小以及变化量决定了传感器的纵向灵敏度，质量因子越高，变化量越大都会提高纵向灵敏度。然而，传感器性能的主要评价指标就在于其是否有足够高的灵敏度和足够低的测量误差，现有的基于CSRR谐振器的用于测量电介质溶液复介电常数的微波微流体传感器的横向灵敏度都低于7.0(MHz)，并且传感器容易受到周围的某些环境因素影响，不可忽视的测量误差未被考虑，造成测量不精确。近几年，一些国内外微波领域学者设计出了能有效提高横向灵敏度的微波微流体传感器。比如Amir Ebrahimi曾发表了一篇基于CSRR的期刊论文“High-Sensitivity Metamaterial-Inspired Sensor for Microfluidic Dielectric Characterization”，其横向灵敏度达到了5.0MHz，是目前基于CSRR传感器中横向灵敏度最高的；但是提高了横向灵敏度的同时也必然提高了周围环境的交叉灵敏度，这会造成不可忽视的测量误差，因此该传感器的测量精度较低。为了解决环境因素的干扰，一些学者在传感器设计中引入差分结构来解决这一问题。比如Paris Velez曾发表了一篇基于差分结构的期刊论文“Microwavemicrofluidic sensor based on a microstrip splitter/combiner configuration andsplit ring resonators(SRRs)for dielectric characterization of liquids”，该传感器有效消除了周围的环境因素影响，测量精度较高，但是其横向灵敏度低于5.0MHz。针对以上问题，本申请结构的设计主要提高横向灵敏度(>7.0)，提高测量精度同时小型化传感器提高实用性。
发明内容
本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高Q值、测量范围广的差分微波微流体传感器。该传感器是在传统的互补开环谐振器和传输线结构基础上进行设计的。
本发明按以下技术方案实现：
一种差分微波微流体传感器，该传感器为两端口器件，包括微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属CSRR结构；
所述微带线设置在介质层的上表面；所述微带线结构包括微带线Ⅰ、微带线Ⅱ、微带线Ⅲ、微带线IV和微带线V，其中微带线IV和微带线V轴对称设置，微带线Ⅱ与微带线Ⅲ轴对称设置；微带线Ⅱ由相互垂直的第一微带线和第二微带线一体成型构成，微带线Ⅲ由相互垂直的第三微带线和第四微带线一体成型构成，微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与第一微带线的一端连接，另一端通过50欧姆电阻与第三微带线的一端连接。微带线Ⅰ、第一微带线、第三微带线位于同一直线上。微带线IV由第五微带线和第六微带线一体成型构成，第五微带线为圆角折线(即90°的圆滑扫掠弯头，用于消除所述微带线Ⅱ与所述微带线IV之间寄生的不连续电容；)，第五微带线的一端与第六微带线的中点连接，另一端作为输入输出端口；微带线V由第七微带线和第八微带线一体成型构成，第七微带线为圆角折线(即90°的圆滑扫掠弯头，用于消除所述微带线Ⅲ与所述微带线V之间寄生的不连续电容；)，第七微带线的一端与第八微带线的中点连接，另一端作为输入输出端口。第六微带线与第二微带线平行设置，且留有空隙；第八微带线与第四微带线平行设置，且留有空隙。空隙距离优选为7mm。第六微带线、第二微带线、第八微带线、第四微带线的长度优选为12mm。
输入输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。
进一步地，所述微带线Ⅰ中心开有贯穿微带线Ⅰ、介质层、金属薄片的通孔，通孔周壁被金属化，使所述微带线Ⅰ与底层的金属薄片连通；
进一步地，所述第五微带线、第七微带线的长度均为1/4波长的整数倍，设置为35mm，且宽度设置为2.73mm；
进一步地，所述微带线Ⅰ和一个50欧姆电阻总长度为30mm，宽度设置为2.73mm；
进一步地，所述介质层为方形PCB板；
所述的金属薄片与介质层形状相同，设置在介质层的下表面，且刻蚀有两个刻槽金属CSRR结构，两个刻槽CSRR结构的开口朝向相同。刻槽金属CSRR结构与微带线Ⅱ、微带线Ⅲ耦合。
每个刻槽金属CSRR结构均为方形槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟区域电场强度最大，该区域放置微流控芯片，用于测量电解质溶液的复介电常数；
所述微流控芯片由低成本的聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成，该芯片为U形芯片，芯片内有微流通道，用于存放电解质溶液；微流通道位于槽沟的上方；其中一个微流通道作为测量，另一个作为参考。
第一刻槽金属CSRR结构的中心与微带线Ⅱ和微带线IV间空隙的中心在平面位置上一致，第二微带线外侧与第一刻槽金属CSRR结构外侧在x轴向的最近距离为p2，优选为0.5mm。第二微带线的两端与第一刻槽金属CSRR结构外侧在y轴向的最近距离为p4，优选为3.5mm。
进一步地，所述刻槽金属CSRR结构槽环尺寸设置为19mm×10mm，槽宽为1mm，槽环开口的宽度为0.5mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边；
所述传感器的横向灵敏度决定了对电解质溶液介电常数的分辨率；质量因子Q值决定了对电解质溶液损耗的分辨率；测量范围和小型化决定了传感器的实用性。
本发明与现有技术相比，具有如下的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明与现有的基于CSRR谐振器的微波微流体传感器相比，首先采用了T型微带线耦合CSRR，有效提高了微带线与CSRR之间的耦合强度，使得电场紧紧束缚在CSRR槽环边缘并且与槽环开口相对的两个直角之间相接的槽沟区域电场强度达到最大；其次采用了差分结构的设计方式，有效消除了周围环境因素的干扰。基于T型微带线与差分结构的设计，该传感器克服了现有传感器横向灵敏度低且测量误差大的缺点，具有极高的横向灵敏度和Q值，保证了测量的准确度。由于该传感器的刻槽金属CSRR结构的对强场的束缚很强，因此横向灵敏度很高，同时微带线Ⅱ和微带线Ⅲ与刻槽金属CSRR结构之间耦合提高了CSRR谐振时的阻抗匹配，从而提高了质量因子。而且，本发明采用了差分结构的形式，对复介电常数做差分测量，采用相对测量的方式排除了环境因素的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图以及参数标注图：其中(a)传感器顶层示意图，(b)传感器底层示意图，(c)传感器平面示意图；
图2是本发明的电场强度分布示意图；
图3是本发明的微流控芯片结构示意图以及参数标注图；
图4是本发明的三维层次布局结构示意图；
图5是本发明的传感器S参数示意图：其中(a)第一个传感单元(左)放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图，(b)第二传感单元(右)放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图；
图6是本发明第一个传感单元和第二个传感单元同时放置微流控芯片后，两个传感单元的反射系数与被注射到第一个传感单元微流控芯片内电解质溶液的复介电常数关系示意图：其中(a)第一个传感单元的反射系数与电解质溶液复介电常数的关系示意图，(b)第二个传感单元的反射系数与电解质溶液复介电常数的关系示意图。
其中，1.PCB板；2. 50Ω电阻；3.微带线Ⅰ；4.微带线Ⅱ；5.微带线Ⅲ；6.微带线IV；7.微带线V；8.通孔；9.SMA连接头；10.金属薄片；11.CSRR槽环；12.电场强度最大区域。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示是本发明的结构示意图，本发明的差分传感器由两个相同的传感单元组成，每个传感单元包括顶层微带线结构、中间层PCB板1、底层金属薄片10被刻蚀的CSRR槽环11；顶层微带线结构包括五段微带线：微带线Ⅰ3、微带线Ⅱ4、微带线Ⅲ5、微带线IV6和微带线V7，第一微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻2与微带线Ⅱ4的一端焊接，另一端直接与第二个微带线结构连接；第四微带线IV6的一端直接与第三微带线Ⅲ5的一端连接，另一端直接与第五微带线V7的一端连接，第五微带线V7的另一端延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头9；微带线Ⅱ4和微带线Ⅲ5耦合底层的CSRR槽环11；
如图2所示是本发明的电场强度分布示意图，每个刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域12，该区域对电解质溶液的复介电常数变化很敏感，因此在该区域放置微流控芯片用于测量电解质溶液的复介电常数；
本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件AnsysHFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：
参数 l<sub>1</sub> l<sub>2</sub> l<sub>3</sub> l<sub>4</sub> l<sub>5</sub> w r θ
数值(mm) 13.93 1.81 12 8.5 6 2.73 8.19 45o
参数 p<sub>1</sub> p<sub>2</sub> p<sup>3</sup> p<sup>4</sup> d a b g
数值(mm) 1 0.5 2.5 3.5 2 19 10 0.5
参数 s
数值(mm) 1
其中中间层PCB板的大小选取78×50×0.767mm3的高频板Rogers RO4350(介电常数3.66，磁导率1，电介质损耗0.004，磁导率损耗0)
如图3所示是本发明的微流控芯片结构示意图，该芯片为由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成的U型芯片，芯片内设有微流通道以及液体流入流出口。测量电解质溶液复介电常数前，需将电解质溶液从液体流入口注射到微流通道内，测量完成后，需将电解质溶液从液体流出口排出；
如图4所示是本发明的三维层次布局结构示意图，每个传感单元上被放置了一个微流控芯片。第一个微流控芯片用于测量使用，内部可注射电解质溶液，第二个微流控芯片用作参考使用，内部不注射电解质溶液。
如图5是本发明的传感器S参数示意图：其中(a)第一个传感单元(左)放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图，(b)第二传感单元(右)放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图，两个传感单元的反射参数变化曲线相同，谐振频率为1.71GHz，Q值为855。因此两个传感单元互不干扰，并且较高的Q值保证了传感器的测量精度高。
如图6所示是本发明第一个传感单元和第二个传感单元同时放置微流控芯片后，两个传感单元的反射系数与被注射到第一个传感单元微流控芯片内电解质溶液的复介电常数关系示意图：其中(a)第一个传感单元的反射系数与电解质溶液复介电常数的关系示意图，(b)第二个传感单元的反射系数与电解质溶液复介电常数的关系示意图，通过获取两个传感单元反射系数的相对变化量可排除环境因素的干扰，得到差分传感器的输出量，即可推算出电解质溶液的复介电常数。但电解质溶液的介电常数从1增加到80，传感器的频率偏移量为598MHz，横向灵敏度为7.47MHz，远大于现有的基于CSRR谐振器的传感器的横向灵敏度，具有极强的实用性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，为两端口器件，其特征在于包括微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属CSRR结构；
所述微带线设置在介质层的上表面；所述微带线结构包括微带线Ⅰ、微带线Ⅱ、微带线Ⅲ、微带线IV和微带线V，其中微带线IV和微带线V轴对称设置，微带线Ⅱ与微带线Ⅲ轴对称设置；微带线Ⅱ由相互垂直的第一微带线和第二微带线一体成型构成，微带线Ⅲ由相互垂直的第三微带线和第四微带线一体成型构成，微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与第一微带线的一端连接，另一端通过50欧姆电阻与第三微带线的一端连接；微带线Ⅰ、第一微带线、第三微带线位于同一直线上；微带线IV由第五微带线和第六微带线一体成型构成，第五微带线为圆角折线，第五微带线的一端与第六微带线的中点连接，另一端作为输入输出端口；微带线V由第七微带线和第八微带线一体成型构成，第七微带线为圆角折线，第七微带线的一端与第八微带线的中点连接，另一端作为输入输出端口；第六微带线与第二微带线平行设置，且留有空隙；第八微带线与第四微带线平行设置，且留有空隙；
所述微带线Ⅰ中心开有贯穿微带线Ⅰ、介质层、金属薄片的通孔，通孔周壁被金属化，使所述微带线Ⅰ与底层的金属薄片连通；
所述的金属薄片与介质层形状相同，设置在介质层的下表面，且刻蚀有两个刻槽金属CSRR结构，两个刻槽CSRR结构的开口朝向相同；刻槽金属CSRR结构与微带线Ⅱ、微带线Ⅲ耦合；
每个刻槽金属CSRR结构均为槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟区域电场强度最大，该区域放置微流控芯片，用于测量电解质溶液的复介电常数；
上述两个微流控芯片一个用于测量，另一个作为参考；
第一刻槽金属CSRR结构的中心与微带线Ⅱ和微带线IV间空隙的中心在平面位置上一致。
2.如权利要求1所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于空隙距离为7mm。
3.如权利要求1-2任一所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于第六微带线、第二微带线、第八微带线、第四微带线的长度优选为12mm。
4.如权利要求1-3任一所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于输入输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。
5.如权利要求1-4任一所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于所述第五微带线、第七微带线的长度均为1/4波长的整数倍。
6.如权利要求5任一所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于所述第五微带线、第七微带线的长度为35mm，宽度为2.73mm。
7.如权利要求1-6任一所述的基于互补开环谐振器结构的差分微波微流体传感器，其特征在于所述微带线Ⅰ和一个50欧姆电阻总长度为30mm，宽度为2.73mm。
8.如权利要求1-7任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于微流通道位于槽沟的上方。
9.如权利要求1-8任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于第一刻槽金属CSRR结构的中心与微带线Ⅱ和微带线IV间空隙的中心在平面位置上一致，第二微带线外侧与第一刻槽金属CSRR结构外侧在x轴向的最近距离p2为0.5mm；第二微带线的两端与第一刻槽金属CSRR结构外侧在y轴向的最近距离p4为3.5mm。
10.如权利要求1-9任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构槽环尺寸设置为19mm×10mm，槽宽为1mm，槽环开口的宽度为0.5mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边。
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