CN111426886B

CN111426886B - 基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器

Info

Publication number: CN111426886B
Application number: CN202010043900.XA
Authority: CN
Inventors: 范立超; 赵文生; 刘琦; 王大伟; 王高峰
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111426886A

Abstract

本发明公开基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器。本发明顶层包括金属补丁、两条微带线和两个SMA连接头；中间层为介质板；底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构、一个内部挖有微流体通道的PDMS；本发明采用楔形状的微带线耦合金属通孔的方法，并且金属化通孔尽可能向里面排布来增强与微带线之间的耦合。另外更为重要的是，为了提高矢量网络分析所呈现的传输曲线的质量因子以及谐振频率频偏的灵敏度，其中必须保证a＝b＝2mm以及d为1mm，从而才能尽可能增强底层金属薄片CSRR结构折线区域的电场。

Description

基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器

技术领域

本发明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，属于微波技术领域。

背景技术

近年来，微波传感器以其高灵敏度、鲁棒性、低制造和测量成本等优点，在医疗、生物医学、工业等诸多领域发挥着越来越重要的作用。它们还被用于微流控系统中液体的介电特性表征。而其中介电常数是描述材料的电性能一个的重要参数。因此如何对液体的复介电常数实现准确、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，(Split-ring resonator)SRR和(Complementary split-ringresonator)CSRR由于在拓扑结构上往往能表现出较强的电场，当被测液体(LUT)放在电场较强的区域进行表征时，传感器的谐振频率和质量因数能够随着被测液体的介电常数变化而变化，从而为被测液体的介电常数的测量提供了可靠的依据。然而这些传感器的空载Q值普遍较低，在实验过程中容易造成不必要的误差。而且对于传感器而言，传感器灵敏度的高低也显得尤为重要，一个传感器拥有更高的灵敏度说明其能够对被测液体介电常数的微小变化实现更准确、更精确地区分。然而，在众多对液体进行表征的传感器中，其灵敏度往往都不高。

衬底集成波导(SIW)具有结构简单、损耗低、体积小、质量因子高、易于与PCB、低温共烧陶瓷(LTCC)工艺兼容等优点逐渐引起了人们的广泛关注。另外在微流体传感器中，所需液体体积的多少也是衡量微流体传感器性能的一个重要的指标，所需的液体的体积越少，所呈现出的灵敏度越高，该传感器的性能就越强，但是在以往的微流体传感器中，所需的体积较多，容易造成环境的污染以及溶液不必要的浪费。

因此，为了解决上述的问题，本次申请基于衬底集成波导超高灵敏度的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，其中基于衬底集成波导的微流体传感器的超高的灵敏度的设计以及所测液体微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体积分数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；

顶层包括金属补丁、两条微带线和两个SMA连接头；

中间层为介质板；

底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构、一个内部挖有微流体通道的PDMS；

所述金属补丁的上端中心开有阶梯状槽，该槽中心与第一微带线的一端连接，下端中心同样开有阶梯状槽，该槽中心与第二微带线的一端连接，第一、二微带线的另一端分别作为输入端口、输出端口，两个端口分别用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；

阶梯状槽的靠近微带线的第一阶高度b与第二阶高度a均为2mm，阶梯状槽的靠近微带线的第一阶宽度d为1mm。

作为优选，所述的第一、二微带线为楔形状，与金属补丁连接部分为放大端；其非放大端部分的宽度为1.67mm；

所述金属补丁四周除第一、二微带线附近区域设有若干等距排布的金属通孔，用以耦合底层金属薄片；

由金属补丁、微带线、介质板、金属薄片、金属通孔构成SIW，金属通孔的孔直径D和孔间距V必须满足D＜_g/5且V≤2D，其中λ_g表示波长，以此能将SIW的辐射损耗降到最低。

所述介质板为罗杰斯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；

所述金属薄片刻蚀有一个CSRR槽环结构；CSRR槽环开口对应边中间段为折线，该折线由多个“凵”结构通过水平连接线构成，该开口对应边与折线的水平连接线位于同一直线；折线结构可以实现最大的边缘电场效应，使得该区域电场强度最强，用来测量乙醇混合溶液的介电常数。

所述刻槽金属CSRR结构的尺寸设置：长h为12mm，宽为7.555mm，其中刻槽的槽宽g为0.3mm；

微流体通道位于刻槽CSRR结构折线区域正下方，且与折线区域结构完全重合。

本发明传感器为了增强微带线与顶层的金属补丁和金属化通孔的耦合，此次采用楔形状的微带线耦合金属通孔的方法，并且金属化通孔尽可能向里面排布来增强与微带线之间的耦合。另外更为重要的是，为了提高矢量网络分析所呈现的传输曲线的质量因子以及谐振频率频偏的灵敏度，其中必须保证a＝b＝2mm以及d为1mm，从而才能尽可能增强底层金属薄片CSRR结构折线区域的电场，而使用时，将传感器倒置，事先挖有微流体通道的PDMS刚好放在CSRR结构折线区域的正上方，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，提高传感器对不同体积分数的乙醇溶液介电常数表征的性能。另外由于穿过PDMS中所需液体的体积较小，从而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；

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与待测不同体积分数的乙醇溶液介电常数的关系示意图；

其中，1.SMA连接头；2.罗杰斯4350系列的方形介质板；3.通孔；4.金属补丁；5.微带线；6.金属薄片；7.CSRR槽环；8.电场强度最大区域；

图5是本发明的不同体积分数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，本发明的传感器为三层结构，是双端口器件；

顶层包括金属补丁4、两条微带线5和两个SMA连接1头；

中间层为罗杰斯4350系列的方形介质板2；

底层包括金属薄片6、CSRR槽环7、一个内部挖有微流体通道的PDMS；

所述金属补丁4四周除两条微带线5附近区域设有若干等距排布的金属通孔3，用以耦合底层金属薄片6；

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，在微流体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；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。

顶层微带线5延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头1，顶部的金属薄片4耦合底层的CSRR槽环7，槽环具有一个敏感区域，槽环内折线区域为电场强度最大区域8，该区域放置内部挖有微流体通道的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

参数

数值(mm)

参数

数值(mm)

参数

数值(mm)

参数

数值(mm)

W

25

L

40

S

1.67

D

1

V

1.5

a

2.0

b

2.0

c

4

d

1.0

e

0.3

f

7.555

g

0.3

h

12

p1

1.7

w1

0.3

中间层罗杰斯4350系列的方形介质板的大小选取40×25×0.813mm³的罗杰斯，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，底层CSRR槽环中折线区域为电场强度最大，因此该区域对PDMS通道中注入的无水乙醇的介电常数变化很敏感，在该区域放置待测样品可以测量不同体积分数的乙醇溶液介电常数；

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的介质板，PDMS里面挖有之前设计好的微流体通道，液体通过100ml的注射器，顺着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，从而实现测量不同体积分数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体积分数的乙醇混合溶液关系示意图，从图中可以看出，当不同体积分数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2.397GHz降到1.433GHz，在通道中加入不同体积分数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体积分数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。从矢量网络分析仪所呈现出来的曲线来看，随着介电常数从1增加到78.5，传输系数曲线逐渐向左偏移，谐振频率的偏移量逐渐增加但是增加的程度逐渐减慢。因此我们可以拟合出一个频率偏移和不同体积分数的乙醇溶液介电常数的一个关系式。

如图6所示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。从图中可以看出，不管是基于CSRR的传感器、基于SIW的可重入腔传感器、基于CPW的传感器还是基于SRR的传感器来说，本发明的传感器的灵敏度在不同体积分数(对应着不同的介电常数)的情况下都要明显高于其他的4种传感器，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：

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，谐振频率为2.4GHz，符合IEEE 802.11协议，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，其实验误差越小，从而进一步的提高了传感器的精度。

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

1.基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器，为双端口器件，其特征在于：

顶层包括金属补丁、两条微带线和两个SMA连接头；

中间层为介质板；

阶梯状槽的靠近微带线的第一阶高度b与第二阶高度a均为2mm，阶梯状槽的靠近微带线的第一阶宽度d为1mm；

所述的第一、二微带线为楔形状；

由金属补丁、微带线、介质板、金属薄片、金属通孔构成SIW，金属通孔的孔直径D和孔间距V必须满足D<λ_g/5且V≤2D，其中λ_g表示波长；

所述金属薄片刻蚀有一个CSRR槽环结构；CSRR槽环开口对应边中间段为折线，该折线由多个 “凵”结构通过水平连接线构成，该开口对应边与折线的水平连接线位于同一直线；折线区结构实现最大的边缘电场效应，使得该区域电场强度最强，用来测量乙醇混合溶液的介电常数；

2.如权利要求1所述的基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器，其特征在于所述的第一、二微带线与金属补丁连接部分为放大端；所述的第一、二微带线的非放大端部分的宽度均为1.67mm。

3.如权利要求1或2所述的基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器，其特征在于所述介质板为罗杰斯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。

4.如权利要求1或2所述的基于衬底集成波导超高灵敏度的微波微流控传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构的尺寸设置：长h为12mm，宽为7.555mm，其中刻槽的槽宽g为0.3mm。