CN111157803A - 可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器 - Google Patents

可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器。顶层包括两个结构相同的单元，每个单元包括金属补丁、微带线和SMA连接头；中间层为介质板；底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构。金属补丁为四分之一圆的扇形结构，在每个四分之一圆的扇形结构中，其中两条互相垂直的直角边上在靠近圆心处的场强最强，因此为了电场更好的辐射，将CSRR刚好设计在两个四分之一圆扇形结构的正下方，而事先挖有微流体通道的PDMS刚好放在CSRR的正下方，让辐射的电场最大程度的穿过PDMS中流过的液体，从而提高该传感器的灵敏度。穿过PDMS中所需液体的体积较小，避免了样品液体的浪费，防止环境的污染。

Description

可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种微带线激励的传感器，特别涉及一种基于衬底集成波导(Substrate Integrated Waveguide-SIW)的用于测量乙醇溶液的介电常数的小型化微波传感器。
背景技术
乙醇在制药、医疗诊断、学术和饮料工业等领域有着广泛的应用，在这样的环境中，必须有低成本、小型化、潜在的安全和高灵敏度的传感器设备在环境温度下工作，从而准确地分析和监测乙醇浓度。因此如何对液体的介电常数实现准确、快速的测量，已经成为目前学术界和工业界共同关注的热点。
近年来，电化学传感器作为最先进的传感器，在检测乙醇浓度方面做出了卓越的贡献。在该类传感器中，当气体分子被吸附时，金属氧化物半导体(MOS)传感器的电阻会发生变化。分析物浓度的变化被用来表征合成电流。然而尽管MOS传感器表现出卓越的灵敏度，但是他们却很容易遭受一个火花的风险，并且在电气连接和高温方面容易导致高功耗。另外一方面，光传感器利用传感器表面的感受器/位置，当光源照射时，感受器/位置对特定波长敏感，从而提供波长移动、光谱变化、颜色变化或光强度偏差方面的信息。由于它们可以在环境温度下工作，同时不需要电连接，因此在一定程度上弥补了MOS传感器的不足。然而，由于它们体积庞大，很难集成到小型化系统中
如今微流控通道与射频元件的集成开创了一个非常有用的领域，在这个领域中，在微流控通道中充满着非常小体积液体能够影响着整个结构的谐振频率的频点和幅值，然而就目前用于微流体表征的微流控传感器来看，它们的灵敏度都往往不高，较低的灵敏度容易对实验造成不必要的误差。
因此，为了解决上述的问题，本次申请可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器结构，以此来提高微流控传感器的实用性，其中该传感器的超高的灵敏度的设计以及待测液体的较小的使用量便能体现我们的一大创新。
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、测量范围广的实现对不同浓度的乙醇溶液介电常数测量的微波传感器。该传感器是在衬底集成波导(SIW)的结构的基础上，采用微带线激励进行设计的。
本发明按以下技术方案实现：
一种微波传感器，该微波传感器为双端口器件，一共分为三层结构；
顶层包括两个结构相同的单元，每个单元包括金属补丁、微带线和SMA连接头；
中间层为介质板；
底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构；
所述金属补丁为四分之一圆的扇形结构，扇形的一直角边与微带线的一端连接，微带线的另一端与输入端口或输出端口连接，然后输入端口或输出端口接SMA连接头；金属补丁与微带线的连接端开有一端开放的L形缝隙；该L形缝隙与扇形的两直角边朝向相同，且L形缝隙紧靠扇形的其中一条直角边；
所述金属补丁上设有若干沿着扇形弧边等距排布(优选相距10°)的金属通孔，用以耦合底部金属薄片；
两个单元的金属补丁的与微带线连接边平行设置，且金属补丁的扇形弧边朝外设置；
两个金属补丁的扇形圆心X轴向相距一定距离；两个单元的金属补丁的与微带线连接的扇形直角边与微带线总长度大于介质板Y轴向长度；
作为优选，两个金属补丁的扇形圆心X轴向相距2mm，Y轴向相距9.5mm；
由金属补丁、微带线、介质板、底面刻有CSRR槽环的金属薄片以及等金属通孔组成一个完整的SIW；
所述的微带线的线宽S为1.67mm；
所述介质板采用罗杰斯4350系列的方形介质板，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度是0.813mm，整个介质板的长L为64.5mm，宽W为38mm。
所述金属薄片刻蚀有一个槽环CSRR结构；槽环为S型结构，由两个弧形结构和一个长d为2mm，宽g为0.3mm的直线结构组成；弧形结构为四分之一圆弧，宽g为0.3mm，其中内半径r1为5.5mm，外半径r2为6mm；两个弧形结构分别与两个金属补丁的扇形圆心相对重合。
由于槽环CSRR与金属补丁完美耦合，所以底层的CSRR槽环结构能够可以实现最大的边缘电场效应，使得该区域电场强度最强，从而可以用来测量乙醇混合溶液的介电常数。
所述内部挖有微流体通道的PDMS，长为24mm，宽为16mm，高为5mm；该微流体通道放置在槽环CSRR的正下方，且微流体通道与槽环CSRR结构形状相同，且位置相对重合；在入水口和出水口分别插有钢针和软管，通过100ml的注射器将不同浓度的乙醇溶液注入到微流体沟道中，每次注射完都通过热吹风机将残留在软管和通道的液体烘干蒸发，再进行下一组实验，从而尽可能的减少实验所造成不必要的误差。
在罗杰斯4350系列的方形介质板上，两个成180°交叉并排的金属补丁相距c为2mm，紧紧贴合在方形介质板上。其中所述的金属补丁为两个四分之一圆的扇形结构，在每个四分之一圆的扇形结构中，其中两条互相垂直的直角边上在靠近圆心处的场强最强，因此为了电场更好的辐射，此次设计将CSRR刚好设计在两个四分之一圆扇形结构的正下方，而事先挖有微流体通道的PDMS刚好放在CSRR的正下方，让辐射的电场最大程度的穿过PDMS中流过的液体，从而提高该传感器的灵敏度，另外由于穿过PDMS中所需液体的体积较小，避免了样品液体的浪费，防止环境的污染，以上便能体现我们的一大创新。
所述传感器的灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；质量因子决定了测量的精度；超大的测量范围和结构的小型化决定了传感器的实用性。
本发明与现有的微波传感器相比，克服了现有传感器对不同体积分数的乙醇溶液进行表征时灵敏度低的缺点，能够实现对乙醇溶液的介电常数的测量并且由于其具有较高的灵敏度和Q值，从而保证了测量的准确度。因此很适合用于对不同体积分数的乙醇溶液介电常数的测量。
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)传感器的透射示意图；
图2是本发明的电场场强度分布示意图；
图3是本发明的S参数示意图；
图4是本发明的传输系数(S21)与待测不同浓度的乙醇溶液介电常数的关系示意图；
其中，1.SMA连接头；2.微带线；3.通孔；4.金属补丁；5.罗杰斯4350系列的方形介质板；6.金属薄片；7.槽环CSRR；
图5是本发明的不同浓度的乙醇混合溶液的介电常数与传输曲线的偏移两者拟合的关系示意图；
图6是本发明的各个传感器在不同体积分数的乙醇溶液的灵敏度对比的折线示意图。
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，本发明的传感器为两端口器件，具体包括如下：
顶层包括两个结构相同的单元，每个单元包括金属补丁4、微带线2和SMA连接头1；
中间层为罗杰斯4350介质板5；
底层包括金属薄片6、刻槽CSRR结构7；
所述金属补丁上设有若干沿着扇形弧边等距排布(优选相距10°)的金属通孔3，用以耦合底部金属薄片；
使用时，将传感器倒置，CSRR槽环7上面放置内部挖有微流体通道的PDMS，在PDMS通道的进水口中通过100ml的注射器以10％的浓度为一个间隔，分10次注入浓度为0％-100％的乙醇混合溶液，由于乙醇混合溶液体积分数的不一样，其介电常数也呈现出不一样，所以在注入的过程中，所得的传输系数的谐振频率也将发生改变，我们通过拟合出混合溶液的介电常数与频率偏移之间的关系式，从而达到测量不同浓度的乙醇溶液介电常数的目的。
顶层的两条微带线2分别延伸出馈电长脚用于连接两端的SMA连接头1，两个半圆形的金属补丁4共同耦合底层的CSRR槽环7，整个CSRR槽环7都是一个敏感区域，CSRR槽环的区域为整个结构中电场强度最大区域，通过在该区域放置一个事先挖有微流体沟道的PDMS，将不同浓度的乙醇充满整个沟道，来达到不同浓度的乙醇溶液介电常数进行测量的目的。
本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件Ansys HFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：
表1
Figure BDA0002368878220000041
Figure BDA0002368878220000051
其中罗杰斯4350系列的方形介质板的大小选取64.5×38×0.813mm3的，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004)。
如图2所示是本发明的电场的场强度分布示意图，整个底层CSRR槽环的区域为电场强度最大的区域，注入的乙醇浓度的不一样，其相应的介电常数也是不一样。该区域电场强度较大，在该区域的正上方放置一个PDMS通道，其中注入不同浓度的乙醇溶液，由于该溶液对整个场的扰动较大，其溶液的介电常数变化很敏感，因此可以在该区域放置待测样品来测量不同体积分数的乙醇溶液的介电常数；
如图3所示是本发明的传感器的整体3D框架示意图。罗杰斯4350介质板是一个介电常数为3.66，损耗角正切为0.04的介质板，PDMS里面挖有之前设计好的微流体通道，液体通过事先插好的钢针从进水口流入，从出水口流出，在每一次测量的过程中，液体都充满微流体沟道，然后测量完成后将通道抽干，然后用热吹风机吹干，保证通道内无任何液体残留，从而再进行下一次的测量。当不同浓度的乙醇溶液流经微流体通道时，由于其介电常数的不一样，从而造成谐振频率和质量因子的变化，从而实现测量不同浓度的乙醇溶液介电常数的测量。
如图4所示是本发明的传输系数与不同浓度的乙醇混合溶液关系示意图，从图中可以看出，当不同浓度的乙醇混合溶液流入微流体通道时，随着混合溶液中乙醇的占比越来越少，蒸馏水的体积分数的占比越来越多时，其介电常数从1变化到78.5，传感器的谐振频率从3.451GHz降到2.241GHz，在通道中加入不同浓度的乙醇混合溶液都会影响共振频率和峰值衰减(|S21|min)的不同变化。该测量装置用于建立传感器的数学模型。为此，推导了乙醇溶液的频移与介电常数之间的数学关系。
如图5所示是本发明的不同浓度的乙醇混合溶液的介电常数与传输曲线的偏移两者拟合的关系示意图。从图中可以看到，随着介电常数从1增加到78.5，谐振频率的频率偏移逐渐增加，但增加的程度逐渐减缓。因此我们可以拟合出一个频率偏移和不同浓度的乙醇溶液介电常数的一个关系式，从而当未知浓度的乙醇通入微流体沟道时，我们只要识别出谐振频率点的大小便可推算出该乙醇的介电常数从而知道其实际浓度。
如图6所示是本发明的各个传感器在不同浓度的乙醇溶液的灵敏度对比的折线示意图。从图中可以看出，不管是基于CSRR的传感器、基于SIW可重入腔传感器还是基于SRR的传感器来说，本发明的传感器的灵敏度在不同浓度(对应着不同的介电常数)的情况下都要明显高于其他的3种传感器，另外与基于CPW的传感器相比，尽管刚开始的灵敏度要稍微低于CPW的传感器，但是基于CPW的传感器只能实现介电常数从20到50的测量，对于液体表征来说，其功能受限，而且其平均灵敏度都明显低于本发明平均的灵敏度，从而体现了该传感器超高的灵敏度的设计。
表2各个微流体传感器的对比
Figure BDA0002368878220000061
从上面的表2来看，分别从传感器的种类、所需液体的体积、谐振频率以及传感器的平均灵敏度四个方面进行了对比，不难发现，对于不同体积分数的乙醇溶液介电常数的测量，该传感器所需液体的体积较小，而且更为重要的是，相比于其它的传感器来说，该传感器有着更高的灵敏度，灵敏度越高，矢量网络分析仪所呈现的曲线辨识度更高，其实验误差越小，从而进一步的提高了该传感器的精度。
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 (7)

1.可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，为双端口器件，其特征在于：
顶层包括两个结构相同的单元，每个单元包括金属补丁、微带线和SMA连接头；
中间层为介质板；
底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构；
所述金属补丁为四分之一圆的扇形结构，扇形的一直角边与微带线的一端连接，微带线的另一端与输入端口或输出端口连接，然后输入端口或输出端口接SMA连接头；金属补丁与微带线的连接端开有一端开放的L形缝隙；该L形缝隙与扇形的两直角边朝向相同，且L形缝隙紧靠扇形的其中一条直角边；
所述金属补丁上设有若干沿着扇形弧边等距排布的金属通孔，用以耦合底部金属薄片；
两个单元的金属补丁的与微带线连接边平行设置，且金属补丁的扇形弧边朝外设置；
两个金属补丁的扇形圆心X轴向相距一定距离；两个单元的金属补丁的与微带线连接的扇形直角边与微带线总长度大于介质板Y轴向长度；
由金属补丁、微带线、介质板、底面刻有CSRR槽环的金属薄片以及等金属通孔组成一个完整的SIW；
所述金属薄片刻蚀有一个槽环CSRR结构；槽环为S型结构，由两个弧形结构和一个直线结构组成；弧形结构为四分之一圆弧，两个弧形结构分别与两个金属补丁的扇形圆心相对重合。
2.如权利要求1所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于相邻金属通孔相距10°。
3.如权利要求1-2任一所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于两个金属补丁的扇形圆心X轴向相距2mm，Y轴向相距9.5mm。
4.如权利要求1-3任一所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于所述的微带线的线宽S为1.67mm。
5.如权利要求1-4任一所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于所述介质板采用罗杰斯4350系列的方形介质板，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度是0.813mm，整个介质板的长L为64.5mm，宽W为38mm。
6.如权利要求1-5任一所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于所述槽环CSRR结构槽宽g为0.3mm，直线结构长d为2mm；弧形结构内半径r1为5.5mm，外半径r2为6mm。
7.如权利要求1-6任一所述的可重构四分之一模基片集成波导微波微流控传感器，其特征在于所述内部挖有微流体通道放置在槽环CSRR的正下方，且微流体通道与槽环CSRR结构形状相同，且位置相对重合。
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