CN113391044A - 一种微流体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流体检测装置，包括上层介质基板、下层介质基板、微带线结构、金属结构层、金属接地层和微流体通道；金属结构层铺设在上层介质基板的上表面；金属接地层铺设在下层介质基板的下表面；微带线结构设置在上层介质基板和下层介质基板之间，一端延伸至上层介质基板和下层介质基板的边缘，另一端设置在金属结构层的正下方；金属结构层为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，刻槽金属半圆环形结构与微带线结构之间耦合；刻槽金属半圆环形结构的圆弧对称轴处设有刻缝，微流体通道设置在刻缝的正上方。本发明能够针对不同液体浓度的介电常数进行准确、快速的测量，具有多频带、尺寸小、灵敏度高、样品用量少、制造和测量成本低。

Description

一种微流体检测装置
技术领域
本发明涉及化学药品检测技术领域，具体涉及一种微流体检测装置。
背景技术
工业和药物应用中广泛使用各种液体化学药品，这些液体必须根据全球统一的系统来储存和分类。由于一些液体化学药品对人体有严重的影响，所以无标签和未知的液体化学用品在实验中有可能导致严重的后果，比如甲醇对人体健康有害，可引起昏迷、失明，甚至死亡，因此，液体化学药品必须准确的识别和标记。正确的标记和区分不同浓度的化学药品，是安全使用化学药品，预防化学药品事故发生的重要措施之一，对于推动液体化学药品的发展具有重要意义。
目前，基于机械、光学、直流检测可应用于生物化学检测，不过尽管其精度较高，还是存在一些缺陷，如光学标记的使用可能改变生物的功能，而且在液体环境中，其灵敏度低，尺寸大。利用电磁波的手段可以有效测量物体的介电常数，不过其体积大，不便于集成，检测精度不够且大多数液体在使用中没有被充分利用而浪费掉。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能够针对不同液体浓度的介电常数进行准确、快速的测量，具有多频带、尺寸小、灵敏度高、样品用量少、制造和测量成本低的微流体检测装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种微流体检测装置，包括上层介质基板、下层介质基板、微带线结构、金属结构层、金属接地层和微流体通道；
所述金属结构层铺设在所述上层介质基板的上表面；
所述金属接地层铺设在所述下层介质基板的下表面；
所述微带线结构设置在所述上层介质基板和所述下层介质基板之间，一端延伸至所述上层介质基板和所述下层介质基板的边缘，另一端设置在所述金属结构层的正下方；
所述金属结构层为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，所述刻槽金属半圆环形结构与所述微带线结构之间耦合；
所述刻槽金属半圆环形结构的圆弧对称轴处设有刻缝，所述刻缝区域电场强度最大，所述微流体通道设置在所述刻缝的正上方，用于测量微流体的谐振频率。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述刻槽金属半圆环形结构包括弧形金属带，所述弧形金属带内外两侧均刻蚀有周期性凹槽，每一侧的相邻两个所述周期性凹槽之间成型有周期性金属条，所述周期性金属条沿所述弧形金属带径向设置。
所述弧形金属带与所述弧形金属贴片连接构成的结构为相对于所述刻缝的轴对称结构。
所述弧形金属贴片的厚度为35μm，所述弧形金属带的内径r＝12mm，宽度g＝1mm；所述周期性金属条的个数为20个。
所述金属结构层和所述金属接地层采用金、银和铜中的任意一种制成。
所述微带线结构包括微带线和半圆盘金属结构，所述半圆盘金属结构设置在所述金属结构层的正下方，所述微带线的端部与所述半圆盘金属结构的平直边中部连接。
所述上层介质基板和所述下层介质基板均采用罗杰斯RO4350B介质板制成，介电常数εr＝3.48，厚度为0.508mm。
所述微流体通道包括进口、出口以及连通所述进口和所述出口的通道主体，所述通道主体设置于所述刻缝的正上方。
所述进口和所述出口均为圆柱体结构，所述通道主体为长方体结构，所述圆柱体结构和所述长方体结构内均设有用于填充待测流体的微流通道。
所述微流体通道为采用聚二甲基硅氧烷制作而成的一体成型结构。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的微流体检测装置在上层介质基板的上表面铺设有金属结构层，下层介质基板的下表面铺设有金属接地层，微带线结构设置在上层介质基板和下层介质基板之间，其中金属结构层为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，通过在刻槽金属半圆环形结构的对称轴处设置刻缝，根据经典电磁理论，在满足电磁边界条件的约束下，电场强度在该刻缝处达到最大，更加有效地增强电场/流体耦合，即该刻缝处对外界环境变化最敏感，通过在该刻缝上设置微流体通道，往微流体通道内注入空气、蒸馏水以及酒精等待测样本，微流体将会与外部电磁场相互作用，导致谐振频率的变化，谐振频率的变化主要取决于待测样本微流体的介电常数，从而可以通过微流体通道内待测样本的介电常数有效识别待测样本的浓度参数，具有灵敏度高、尺寸小、样品用量少的优点，因此适合用于对不同浓度的酒精混合溶液介电常数的测量。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明提供的微流体通道的局部放大图。
图4为本发明的电场强度分布示意图。
图5为本发明中微流体通道注入空气、酒精和蒸馏水时对应的反射系数S11曲线图。
图例说明：
1、上层介质基板；2、微带线结构；21、微带线；22、半圆盘金属结构；3、金属结构层；31、刻缝；32、弧形金属带；33、周期性凹槽；34、周期性金属条；4、微流体通道；41、进口；42、出口；43、通道主体；5、下层介质基板；6、金属接地层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1至图3所示，本实施例的微流体检测装置，包括上层介质基板1、下层介质基板5、微带线结构2、金属结构层3、金属接地层6和微流体通道4；金属结构层3铺设在上层介质基板1的上表面；金属接地层6铺设在下层介质基板5的下表面；微带线结构2设置在上层介质基板1和下层介质基板5之间，一端延伸至上层介质基板1和下层介质基板5的边缘并与激励端口连接，激励端口连接SMA连接头，另一端设置在金属结构层3的正下方；金属结构层3为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，刻槽金属半圆环形结构与微带线结构2之间耦合；刻槽金属半圆环形结构的圆弧对称轴处设有刻缝31，该刻缝31将刻缝刻槽金属半圆环形结构分成对称的两个部分，刻缝31区域电场强度最大，微流体通道4设置在刻缝31的正上方，用于测量微流体的谐振频率。该微流体检测装置在上层介质基板1的上表面铺设有金属结构层3，下层介质基板5的下表面铺设有金属接地层6，微带线结构2设置在上层介质基板1和下层介质基板5之间，其中金属结构层3为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，通过在刻槽金属半圆环形结构的对称轴处设置刻缝31，根据经典电磁理论，在满足电磁边界条件的约束下，电场强度在该刻缝31处达到最大，更加有效地增强电场/微流体耦合，即该刻缝31处对外界环境变化最敏感，通过在该刻缝31上设置微流体通道4，往微流体通道4内注入空气、蒸馏水以及酒精等待测样本，微流体将会与外部电磁场相互作用，导致谐振频率的变化，谐振频率的变化主要取决于待测样本微流体的介电常数，从而可以通过微流体通道4内待测样本的介电常数有效识别待测样本的浓度参数，具有灵敏度高、尺寸小、样品用量少的优点，因此适合用于对不同浓度的酒精混合溶液介电常数的测量。
优选的，刻槽金属半圆环形结构包括弧形金属带32，弧形金属带32内外两侧均刻蚀有周期性凹槽33，每一侧的相邻两个周期性凹槽33之间形成有周期性金属条34，周期性金属条34沿弧形金属带32径向设置。本实施例中，刻槽金属半圆环形结构包括弧形金属带32，通过在弧形金属带32内外两侧均刻蚀有周期性凹槽33，每一侧的相邻两个周期性凹槽33之间形成有周期性金属条34，该结构能够增强耦合谐振，使电场强度在该区域内增强，从而能够进一步增强刻缝31的灵敏度。该结构还具有结构简单、易于制作、成本低的优点。
优选的，弧形金属带32与弧形金属贴片连接构成的结构为相对于刻缝31的轴对称结构。本实施例中，弧形金属带32和弧形金属贴片连接形成轴对称结构，具有结构简单、易于装配、成本低的优点，在该刻槽金属半圆环形结构的对称轴位置处设置刻缝31，能够进一步增强该刻缝31处的电场强度，可以显著增强灵敏度，是放置微流体通道4的最佳位置。
优选的，环形金属贴片的厚度为35μm，弧形金属带32的内径r＝12mm，宽度g＝1mm；周期性金属条34的个数为20个。
优选的，金属结构层3和金属接地层6采用金、银和铜中的任意一种制成。本实施例中，金属结构层3和金属接地层6的材料均选择为铜，能够大大降低制造成本。
优选的，微带线结构2包括微带线21和半圆盘金属结构22，半圆盘金属结构22设置在金属结构层3的正下方，微带线21的端部与半圆盘金属结构22的平直边中部连接。本实施例中，采用的是微带线激励方法，在微带线21的端部引入一个半圆盘金属结构22，半圆盘金属结构22包括一个圆弧面和一个平直边平面，微带线21的端部与半圆盘金属结构22的平直边中部连接，可以显著减少微带线21末端产生的反射波，增强了电磁能量的耦合效率，从而增强了各个谐振频点的品质因数，还具有结构简单、稳定可靠的优点。
优选的，上层介质基板1和下层介质基板5均采用罗杰斯RO4350B介质板制成，介电常数＝3.48，厚度为0.508mm。本实施例中，上层介质基板1和下层介质基板5采用罗杰斯RO4350B介质板制成，介电常数εr＝3.48，上层介质基板1和下层介质基板5的厚度均为0.508mm，RO4350B是一款用编织玻璃布增强的碳氢树脂体系/陶瓷填料的材料，其电性能接近于PTFE/编织玻璃布材料而可加工性又类似于环氧树脂/玻璃布材料，RO4350B能够采用标准的环氧树脂/玻璃布的加工工艺，同时提供严格控制的介电常数以及损耗，而其价格却只有传统微波材料的几分之一，具有电学性能好、易于加工、制作成本低的优点。
优选的，微流体通道4包括进口41、出口42以及连通进口41和出口42的通道主体43，通道主体43设置于刻缝31的正上方。本实施例中，进口41和出口42用于微流体的进入和排出，通道主体43放置在刻缝31的正上方，通过往通道主体43注入待测样本，微流体将会与外部电磁场相互作用，具有非侵入、非接触、快速测量、样品用量少和兼容片上实验室的特点。
优选的，进口41和出口42均为圆柱体结构，通道主体43为长方体结构，圆柱体结构和长方体结构内均设有用于填充待测流体的微流通道。本实施例中，进口41和出口42采用圆柱体结构，通道主体43采用长方体结构，不仅结构简单、易于装配，而且工作过程稳定可靠，制造和测量成本低。
优选的，微流体通道4为采用聚二甲基硅氧烷制作而成的一体成型结构。本实施例中，微流体通道4由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成，具有耐热性、耐寒性、导热性、防水性等优点。
如图4所示为本微流体检测装置在频率为2.116GHz时，在距离结构上表面2mm处平面上二维Ez电场分布图，从图3可以看出，由于在金属结构层3的对称轴处设有刻缝31，在满足电磁边界条件的约束下，电场强度在该处达到最大，因此此处区域对外界环境变化最为敏感，是放置微流体通道4的最佳位置。
如图5所示为本微流体检测装置在微流体通道4内填充空气、酒精和蒸馏水三种不同待测样本时对应的反射系数S11曲线图，从图5可以看出，当注入酒精和蒸馏水与空气对比，对应谐振频点发生了明显的偏移。例如，填充空气的微流体检测装置谐振频点为2.116GHz(n＝2，odd)，当酒精填充满微流体通道4时，对应谐振频点为2.044GHz(n＝2，odd)，而当填充蒸馏水时，谐振频点为2.024GHz(n＝2，odd)，比较空气和酒精，观察到谐振频率偏移量为72MHz。为了更加清晰的观察所得到的结果，将结果分析成如下表格1：
表格1本发明的各项参数
Figure BDA0003111972270000051
注：频率偏移Δf和灵敏度(MHz/εr)是通过空气和酒精比较而得；酒精的介电常数εr大约是6.5。
注：
Figure BDA0003111972270000052
从结果中可以观察到，当蒸馏水、酒精以及空气分别填充在微流体通道4内，其谐振频率发生了明显的偏移，本发明最大灵敏度为0.79％，这表明该发明对微流体通道4内的环境变化非常敏感，具有灵敏度高、尺寸小、所需样品少和多频带的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流体检测装置，其特征在于，包括上层介质基板(1)、下层介质基板(5)、微带线结构(2)、金属结构层(3)、金属接地层(6)和微流体通道(4)；
所述金属结构层(3)铺设在所述上层介质基板(1)的上表面；
所述金属接地层(6)铺设在所述下层介质基板(5)的下表面；
所述微带线结构(2)设置在所述上层介质基板(1)和所述下层介质基板(5)之间，一端延伸至所述上层介质基板(1)和所述下层介质基板(5)的边缘，另一端设置在所述金属结构层(3)的正下方；
所述金属结构层(3)为一个半圆弧形的刻槽金属半圆环形结构，所述刻槽金属半圆环形结构与所述微带线结构(2)之间耦合；
所述刻槽金属半圆环形结构的圆弧对称轴处设有刻缝(31)，所述微流体通道(4)设置在所述刻缝(31)的正上方。
2.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述刻槽金属半圆环形结构包括弧形金属带(32)，所述弧形金属带(32)内外两侧均刻蚀有周期性凹槽(33)，每一侧的相邻两个所述周期性凹槽(33)之间成型有周期性金属条(34)，所述周期性金属条(34)沿所述弧形金属带(32)径向设置。
3.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，所述弧形金属带(32)与所述弧形金属贴片连接构成的结构为相对于所述刻缝(31)的轴对称结构。
4.根据权利要求2所述的微流体检测装置，其特征在于，所述弧形金属贴片的厚度为35μm，所述弧形金属带(32)的内径r＝12mm，宽度g＝1mm；所述周期性金属条(34)的个数为20个。
5.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述金属结构层(3)和所述金属接地层(6)采用金、银和铜中的任意一种制成。
6.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述微带线结构(2)包括微带线(21)和半圆盘金属结构(22)，所述半圆盘金属结构(22)设置在所述金属结构层(3)的正下方，所述微带线(21)的端部与所述半圆盘金属结构(22)的平直边中部连接。
7.根据权利要求1所述的微流体检测装置，其特征在于，所述上层介质基板(1)和所述下层介质基板(5)均采用罗杰斯RO4350B介质板制成，介电常数εr＝3.48，厚度为0.508mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微流体检测装置，其特征在于，所述微流体通道(4)包括进口(41)、出口(42)以及连通所述进口(41)和所述出口(42)的通道主体(43)，所述通道主体(43)设置于所述刻缝(31)的正上方。
9.根据权利要求8所述的微流体检测装置，其特征在于，所述进口(41)和所述出口(42)均为圆柱体结构，所述通道主体(43)为长方体结构，所述圆柱体结构和所述长方体结构内均设有用于填充待测流体的微流通道。
10.根据权利要求8所述的微流体检测装置，其特征在于，所述微流体通道(4)为采用聚二甲基硅氧烷制作而成的一体成型结构。
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