CN114235848B - 基于串联lc谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，具有三层结构，所述顶层为对称设计，包括两条微带线、两个50欧姆的电阻元件、两个SMA连接头及两个接地平面，所述微带线有一个缺口处，缺口处设计为交指结构，所述微带线的一个输入端口，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通，微带线的另一个端口由50欧姆电阻元件焊接微带线与接地平面；所述中间层和底层是介质板；在交指结构缝隙即电场场强最大区域上面放置一个PDMS，内部挖有微流控通道。该传感器灵敏度高、测量范围宽，检测误差小，检测结果准确。

Description

基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体是基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器。

背景技术

近年来，超材料激发的谐振器因其体积小、重量轻、易于制造和成本低而一直是平面传感器应用的绝佳选择。这些平面传感器基本上设计为加载到传输线上的超材料单元。原则上，这些位于线路附近的单元会以电或磁方式耦合，从而在某个谐振频率处产生阻带传输陷波。因此，当任何材料（电介质或磁性材料）与超材料单元谐振器接触时，反应的谐振频率会改变。这实际上是源自这些平面谐振器的传感现象。这些中的电小谐振器类型的情况可以采取形状为裂环谐振器（SRR），互补裂环谐振器（CSRR），电LC（ELC）谐振器，互补电LC（CELC）谐振器，螺旋谐振器和阶梯阻抗谐振器。这些加载了超材料单元的传感器已被用于广泛的应用于确定材料特性，如介电常数或渗透率，称为表征、旋转或角位移传感、微流体传感、生物传感和油感应等形式。这些都属于开放式谐振器的类别。然而，所有这些单元的灵敏度都受到限制，主要是这些谐振单元往往由于其复杂的结构，导致其谐振条件里包含数个元件，其中只能通过将介电样本应用于传感区域来修改其中一个。并且大部分的谐振单元都需要在顶层和底层同时刻蚀金属来实现功能，这在考虑到成本和特殊情况下，对微波传感器的设计带来一些限制。

由于基材、金属或测试材料通常会受到温度变化、湿度等的影响，这会导致结果中出现测量不准确。然而，这些是共模因素，但是它们的影响可以在差分测量中被抵消。因此，差分传感器通常提供更高的精度，并且能够抵抗环境恶化的因素。近年来许多研究人员将注意力集中在差分传感器的设计上。差分传感器基本上是双对称结构，包括一条传输线，该传输线在馈线的任一侧加载有两个相同的传感元件（谐振器单元）。这导致在匹配条件下同时激励两个谐振器，从而为空载情况产生传输陷波。然而，当这种对称性受到干扰时，可以观察到传输零点的分裂，分裂的水平取决于对称性破坏的程度。对称性的破坏可能是由于任一谐振器与外部材料的相互作用或两个谐振器与不同材料的相互作用。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的发明目的在于提供基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，该微波微流传感器结构简单、制造方便，同时灵敏度高、测量范围宽。通过使用串联LC谐振电路来最大程度的简化谐振条件中的元件数量，来达到理想中的最大灵敏度。同时使用了共面波导传输线，巧妙的通过使用一个SMA连接头同时连接中心馈电线和接地平面，使得传感器免去了地面的金属刻蚀，减少了传感器生产成本，也为后续在底层实现更多功能的设计预留了空间。然后通过增加差分传感设计，极大的降低了环境因数带来的误差，增加了传感器的稳定性。最后通过测量常温下不同乙醇浓度溶液的介电常数来实现分辨乙醇体积分数，能够降低检测时产生误差的概率，保证检测结果，有利于上述微波微流传感器在微波技术领域的推广及应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案:基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，为双端口器件；微波微流控传感器具有顶层、中间层及底层的三层结构；所述顶层为对称设计，包括两条微带线、两个50欧姆的电阻元件、两个SMA连接头及两个接地平面，所述微带线有一个缺口处，缺口处设计为交指结构，所述微带线具有一个输入端口，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通，微带线的另一个端口由50欧姆电阻元件焊接微带线与接地平面；所述中间层与所述底层均为介质板；所述交指结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。

作为本发明的一种优选方案，所述传感器为差分传感设计，一个用于感测介电常数，一个用作参考。

作为本发明的一种优选方案，所述微带线的输入输出端宽度为2.6mm，之后直线渐变为0.4mm，渐变距离为2.4mm。

作为本发明的一种优选方案，所述交指结构的整体长度和宽度分别为2.6mm和3mm，其中交指数量为7，交指长度为2.4mm，交指宽度和间隙为0.2mm。

作为本发明的一种优选方案，所述接地平面与微带线输入端的间距为0.2mm，与微带线变窄后的间距为2.3mm，内部刻蚀的区域长度和宽度分别为14.8mm和5mm。

作为本发明的一种优选方案，所述接地平面在对称结构的对称线上刻蚀出一个长度和宽度分别为26mm和2.2mm的空区域。

作为本发明的一种优选方案，所述介质板为罗杰斯4350系列的介质板，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度是0.762mm。

作为本发明的一种优选方案，介质板呈矩形结构设置。

作为本发明的一种优选方案，所述微带线与所述SMA连接头之间焊接连接。

与现有技术相比，本发明中的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，具有如下有益效果：

表一：各个微流传感器性能对比

结构	所需液体体积(μL)	谐振频率(GHz)	平均灵敏度(%)
				基于CSRR的传感器	2.65	2.45	0.214
基于SRR的传感器	0.96	1.6	0.506
				基于MNG的传感器	4.92	3.43	0.57
基于CELC的传感器	0.63	1.667	0.845
				此传感器	0.68	2.592	1.51

从上面的表一来看，分别从传感器的类型，所需的液体体积，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，本发明提出基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，该微波微流控传感器在液体用量方面需求较小，最为关键的是设计的传感在平均灵敏度方面远远超过其他结构，可实现更宽的介电常数检测范围和更小的检测精度，降低了检测时所产生的误差。而且由于结构的差分测试设计，极大的提高了传感器对于环境因数的适应性和稳定性。

本发明提出了基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，与现有的微波谐振式传感器相比，较为显著的提高了传感器面对不同浓度乙醇溶液进行表征时的灵敏度，能够准确的实现对溶液的介电常数检测，同时使用交指结构来充分利用电场最强的区域来减少待测液体的用量。

附图说明

图1是本发明中基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器中顶层的结构示意图；

图2是本发明结构电场场强分布示意图；

图3是本发明的微流通道设计示意图；

图4是本发明的S参数示意图；

图5是本发明的传输系数与待测不同介电常数的溶液对应关系图；

附图标记：1、接地平面；2、50欧姆电阻元件；3、微带线；4、交指结构；5、介质板；6、SMA连接头。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例：如图1所示，基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，为双端口器件；为具有顶层、中间层及底层的三层结构；位于顶层的SMA连接头6焊接在微带线3的一侧，微带线的输入端宽度为2.6mm，然后渐变为0.4mm，在中心段微带线的缺口为变成尺寸宽度为2.6mm长度为3mm的交指结构4。微带线的另一端，由50欧姆电阻元件2与接地平面1焊接。在接地平面1对称结构的对称线上刻蚀出一个空区域。中间层和底层为罗杰斯4350介质板1。在交指结构缝隙即电场场强最大区域上面放置一个PDMS，内部挖有微流控通道，在通道的入水口通过100mL的注射器以10%的浓度为一个间隔，分10次缓慢注入0%-100%的乙醇溶液，由于不同比例的水和乙醇混合而成的溶液介电常数也产生对应的变化，并且体现在交指结构缝隙附近的电场变化，最终表现在谐振频率点的偏移。我们通过收集数据拟合混合溶液浓度的介电常数与频率偏移的关系式，从而到达检测的效果。

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，相关尺寸通过软件优化得到，如表二所示：

表二

参数

数值（mm）

参数

数值（mm）

参数

数值（mm）

参数

数值（mm）

L

36.2

S2

0.4

c

6

f

5.6

W

26

a

6

d

2.2

g

3

S1

2.6

b

5

e

5.6

其中，中间层介质板的大小选取36.2×26×0.762mm³的罗杰斯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。

如图2所示是本发明的电场的场强分布示意图，顶层的交指结构拥有较强的集聚电场的能力，并且把场束缚在交指间宽度为0.2mm的缝隙当中。这正好对应PDMS刻蚀的微流控通道，使得待测液体正好经过场强高的区域，以达到最大灵敏度的目的。

如图3所示的是本发明的微流通道设计示意图，聚二甲基硅氧烷是一个介电常数为2.2的介质板，PDMS里面挖有之前设计好的微流体通道，PDMS的垂直通道插入细钢针再通过软管连接钢针和注射器口。液体通过100ml的注射器缓慢推入待测液体，直到液体充满微流控通道，没用气泡为止。当测量完成之后，应再用去离子水注入清洗通道，然后用热风机蒸发水分再进行下一组实验。

如图4所示的是本发明制作的原型实物图和测量的传输系数与注入的不同体积分数的乙醇-水溶液关系示意图，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77.59，传感器的谐振频率从2.592GHz降到0.838GHz，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所示的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77.59，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。

本实施例中的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，在面对不同浓度乙醇溶液进行表征时的灵敏度比现有的微波谐振式传感器较为显著的提高了，能够准确的实现对溶液的介电常数检测，中间置入空区域，避免了两个传感器距离太低造成的相互干扰，使得器件设计更小型化，同时覆盖交指结构线缝的微流体通道充分了利用的强电场区，在提高液体利用率的同时减少了液体样品使用量，减少了浪费。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本实施例所示的这些实施例，而是要符合与本实施例所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，为双端口器件；其特征在于：为具有顶层、中间层及底层的三层结构；所述顶层为对称设计，包括两条微带线、两个50欧姆的电阻元件、两个SMA连接头及两个接地平面，所述微带线有一个缺口处，缺口处设计为交指结构，所述微带线具有一个输入端口，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通，微带线的另一个端口由50欧姆电阻元件焊接微带线与接地平面；所述中间层与所述底层均为介质板；所述交指结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道；所述传感器为差分传感设计，一个用于感测介电常数，一个用作参考；所述微带线的输入输出端宽度为2.6mm，之后直线渐变为0.4mm，渐变距离为2.4mm；所述交指结构的整体长度和宽度分别为2.6mm和3mm，其中交指数量为7，交指长度为2.4mm，交指宽度和间隙为0.2mm；所述接地平面与所述微带线输入端的间距为0.2mm，与微带线变窄后的间距为2.3mm，内部刻蚀的区域长度和宽度分别为14.8mm和5mm。

2.根据权利要求1所述的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，其特征在于：所述接地平面在对称结构的对称线上刻蚀出一个长度和宽度分别为26mm和2.2mm的空区域。

3.根据权利要求1或2所述的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，其特征在于：所述介质板为罗杰斯4350系列的介质板，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度是0.762mm。

4.根据权利要求3所述的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，其特征在于：介质板呈矩形结构设置。

5.根据权利要求4所述的基于串联LC谐振的高灵敏度微波微流控差分传感器，其特征在于：所述微带线与所述SMA连接头之间焊接连接。