CN111122981A - 用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器。本发明从上到下依次包括共面波导传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构为周期性结构，各单元结构之间通过微带线连接。所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，完全覆盖两个电磁带隙单元结构环形缝隙位置，并汇聚于上下两个端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。本发明结构以EBG结构为基础，其微流通道被设计为覆盖整个EBG结构槽环的分流支路，明显增加了围绕电场的路径，改善了目前微流体传感器灵敏度较低且质量因子Q值较低的情况，明显提高了灵敏度，同时具有较高的Q值，保证了测量的高分辨率和精确度。

Description

用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构(electromagneticband-gap structure,EBG)用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器结构。
背景技术
随着微波技术在众多行业(电子、生物医学和工业等领域)快速发展，各种类型的微波传感器不断被开发和利用，同时由于其具有灵敏度高、鲁棒性好、制造和测量成本低等优点，使它们在微流体和生物传感应用方面成为首选。
介电常数是反应物质电磁特性的重要物理性质之一，它是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带，而一种材料对电磁波的响应则取决于它的介电常数，因此，准确测量介电常数对天线、微波电路设计和无损检测等应用至关重要。目前用来测量介电常数最典型的方法是谐振法，这种方法几乎不受外界因素对测量的干扰，微流体传感器的设计思路是将微流体通道设置在所设计结构的间隙区，当处于谐振时有很强的局域电场，可以改变谐振频率和质量因子Q值，根据测量得到的谐振频率和峰值衰减的变化来确定液体样品的复介电常数。目前，在微流体传感器的设计应用中，基于现有的谐振原理的微流体传感器的灵敏度较低，且随着液体介电常数的提高，Q值不断降低。目前基于电小谐振器的微波传感器最高灵敏度为6.81MHz，是由Amir Ebrahimi的一篇期刊论文“Ultrahigh-SensitivityMicrowave Sensorfor Microfluidic ComplexPermittivity Measurement”提出。鉴于此，本发明结构提供了一种基于电磁带隙结构的微流体传感器，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中设计了多个微流体通道分路，大大增加了测量区域的电场路径，从而使检测灵敏度大大提高(7.54MHz)，同时具有较高的Q值，提高了测量的精确度和分辨率。
发明内容
本发明的目的主要是针对现有技术的不足，提出了一种结构合理、高灵敏度、高Q值的用于测量液体介电常数的微波微流体传感器，该结构是在EBG结构的基础上，采用共面波导(coplanarwaveguide，CPW)微带线激励，同时在结构的下方放置微流体通道，以供液体样品测量。
为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实现：
本发明提供一种微波微流体传感器，其结构从上到下依次是CPW传输线、介质层、EBG结构,其中EBG结构其中电磁带隙结构由两个通过微带线连接的相同单元结构构成，其单元结构大小为28mm×28mm。
EBG结构的单元结构为正方形环形结构，其镂空中心区域内嵌一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有环形缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；
所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；
所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面的距离为0.8mm；
所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，其通道结构完全覆盖EBG单元结构的环形缝隙位置，相邻两个单元结构的微流体通道分别汇聚于上下两个端口，液体样品从一个端口用针孔注入，再从另一端口流出；
所述微流体通道所在的PDMS芯片整体的高度、宽度和长度分别为5mm、25mm、54mm，其内部的微流体通道的高度为0.2mm；
覆盖在电磁带隙单元结构环形缝隙位置的微流体通道为环形结构，上下两侧两通道宽度为1.8mm，左右两侧通道宽度为2.6mm，分别覆盖两个EBG单元结构的中心区域的环形缝隙位置，该区域的电场强度最大，对电介质材料的介电常数变化非常敏感，适合设置微流体通道，测量液体样品的介电常数；
所述介质层为Rogers RO4350材料，其相对介电常数为3.66，介质厚度为0.762mm，损耗角正切值为0.004。
所述传感器的灵敏度决定了对液体介电常数测量的分辨率，Q值决定了测量的精度，小型化和抗干扰能力决定了传感器的实用性；
本发明结构与现有技术相比:
本发明结构以EBG结构为基础，其微流通道被设计为覆盖整个EBG结构槽环的分流支路，明显增加了围绕电场的路径，改善了目前微流体传感器灵敏度较低且质量因子Q值较低的情况，明显提高了灵敏度，同时具有较高的Q值，保证了测量的高分辨率和精确度。
附图说明
图1是本发明结构由顶层至底层示意图；
图2是本发明结构的示意图，其中(a)为CPW传输线的参数标注图；(b)为EBG结构的参数标注图；
图3是本发明结构的S参数示意图；
图4是本发明结构的电场强度分布示意图；
图5是本发明结构的PDMS微流体通道的示意图，其中(a)为PDMS微流体通道的正视图，(b)为PDMS微流体通道的俯视图；
图6是本发明结构的S参数与待测液体样品之间的关系图；
其中，1.GND；2.CPW微带线；3.Rogers RO4350介质层；4.EBG结构；5.微流体通道；6.PDMS。
具体实施方式
下面将结合附图具体实施例对本发明结构作进一步详细说明。
如图1所示为本发明结构的示意图，由顶层至底层结构分别为CPW2、介质层3和EBG结构4。
所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面1的距离为0.8mm；
如图2(a)、图2(b)分别为CPW传输线和EBG结构的参数标注图，其中传输线两侧的两端口用于连接SMA连接头，EBG结构的单元结构为正方形结构，其中心区域为镂空，内嵌一个小的方形平面板，在小的正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与大正方形平面连接。
如图3所示是本发明结构的S参数示意图，谐振频率为2.447GHz，Q值为122。
如图4所示是本发明结构的电场强度分布示意图，EBG结构的中心区域的槽环周围的电场强度最大，适合放置微流体通道，用来测量液体样品的介电常数。
如图5所示是本发明结构的微流体通道5所在PDMS6的示意图，其整体长、宽、高分别为54mm、25mm、5mm，所述微流体通道5高度为0.2mm，其通道结构覆盖两个EBG单元结构中心区域的槽，上下两侧两通道宽度为1.8mm，左右两侧通道宽度为2.6mm，两个单元结构的微流体通道分别汇聚于上下两个端口，液体样品从一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。
本发明结构的各参数数值如表1所示：
表1各参数数值
参数 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub> w<sub>4</sub> w<sub>5</sub>
数值(mm) 1.56 12.42 0.4 0.4 0.4
参数 a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> d<sub>1</sub>
数值(mm) 28 13.42 5 0.2 9.82
参数 d<sub>2</sub> d<sub>3</sub> d<sub>4</sub> c l<sub>1</sub>
数值(mm) 18.98 2.6 9.82 1 62
参数 s<sub>1</sub> t<sub>1</sub> t<sub>2</sub> t<sub>3</sub> g<sub>1</sub>
数值(mm) 6 0.8 0.55 3 1
参数 g<sub>2</sub> g<sub>3</sub>
数值(mm) 2.6 1.8
如图6所示是本发明结构的S参数与待测液体样品之间的关系图，当待测液体样品的介电常数从1增加到80时，传感器的谐振频率从2.399GHz到1.697GHz，其中当液体的介电常数从10到80所对应的频偏量为528MHz，传感器的灵敏度为7.54MHz，并且有较高的Q值，保证了测量的分辨率和精确度。
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 (6)

1.用于测量液体介电常数的高灵敏度微流体传感器，其特征在于从上到下依次包括共面波导传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构由两个通过微带线连接的相同单元结构构成；
电磁带隙结构的单元结构为正方形环形结构，其镂空中心区域内嵌一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有环形缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；
所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；
所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面的距离为0.8mm；
所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，完全覆盖两个电磁带隙单元结构环形缝隙位置，并汇聚于上下两个端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。
2.如权利要求1所述的基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于所述微流体通道的高度为0.2mm。
3.如权利要求1所述的基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于覆盖在电磁带隙单元结构环形缝隙位置的微流体通道为环形结构，上下两侧两通道宽度为1.8mm，左右两侧通道宽度为2.6mm。
4.如权利要求1所述的基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于所述介质层为RogersRO4350材料，其相对介电常数为3.66，介质厚度为0.762mm，损耗角正切值为0.004。
5.如权利要求1所述的基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于所述电磁带隙结构单元结构大小为28mm×28mm。
6.如权利要求1所述的基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于所述电磁带隙结构单元结构间隔6mm。
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