CN114235849A - 基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，为双端口器件；具有顶层、中间层及底层；顶层包括一条微带线、两个50欧姆的电阻元件及两个SMA连接头，微带线有两个缺口处，缺口处均由50欧姆电阻元件焊接，微带线具有一个输入端口与一个输出端口，输入端口与输出端口均与微带线连接，且输入端口与输出端口分别用于连接SMA连接头，SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；中间层是介质板；底层包括改进缺陷地结构，改进缺陷地结构包括螺旋线与DGS结构，螺旋线与DGS结构边缘之间有一个正方形环，在DGS结构中间有一个螺旋线结构，螺旋线结构上面置有一个内部形成有微流体通道的PDMS。该传感器灵敏度高、测量范围宽，检测误差小。

Description

基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体是基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器。

背景技术

近年来，微波传感器已在许多测量和表征平台中得到应用：例如机械位移和旋转传感器、医疗应用生物传感器、结构健康监测、固体介电特性和液体化学品的介电常数测量。微波传感器与其他同类产品例如光学或微系统（MEMs）设备相比的主要优势在于它们是无源的、成本低并且提供非侵入式检测。复介电常数作为一种重要的物理特性，描述了材料暴露于外部电磁场时的电气行为，可以通过微波技术检测获得。当传感区域里的样品的种类或者浓度发生变化时，其自身的介电常数随着发生改变，这影响了谐振电路中的电容电感值，最终体现在谐振频率和S参数的幅值的改变。基于谐振器的传感器具有许多优点，包括快速传感、鲁棒性和实时检测，且测量成本低。因此，研究越来越集中于开发基于微波谐振器的传感器，该传感器具有体积小、可靠性高、灵敏度高、检测限制低、响应速度快、适用于无侵入传感等特点。

有两种主要类型的传感器结构，谐振方法和非谐振方法。谐振方法依赖于样品带来的复介电常数扰动。因为扰动会引起谐振频率和品质（Q-factor）因子的变化，我们可以随意调整样品的位置来控制灵敏度，通常很容易实现高灵敏度，但我们只能在离散的谐振频率点上实现检测。在非共振场景中，传输和反射的变化揭示了样品在宽带上带来的变化，但样品和器件的制备是严格的，这意味着成本的增加。因此，大多数检测液体、气体和材料的微波传感器都是基于共振方法。已经提出了许多谐振结构来设计微波传感器。缺陷地（Defected ground structure-DGS）是设计传感器的常用途径之一，但是往往是被使用于实现滤波器等功能。其特点在于在金属地刻蚀缝隙形成电容电感并联结构，近似于一个谐振单元，其中将样品放置在最大电场区域以检测介电常数，并将样品放置在最大磁场区域以检测磁导率。特别是随着各种紧凑的结构的超材料的出现，其波长往往小于以往的结构，所有被更倾向于作为谐振单元使用。

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改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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: 基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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；所述顶层包括一条微带线、两个50欧姆的电阻元件及两个SMA连接头，所述微带线有两个缺口处，缺口处均由50欧姆电阻元件焊接，所述微带线具有一个输入端口与一个输出端口，所述输入端口与所述输出端口均与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口分别用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层是介质板；所述底层包括一个改进缺陷地结构，所述改进缺陷地结构包括螺旋线与DGS结构，所述螺旋线与所述DGS结构边缘之间有一个正方形环，在DGS结构中间有一个螺旋线结构，所述螺旋线结构上面置有一个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，所述微带线的输入输出端宽度为1.63mm，在电阻焊接部分渐变为0.4mm，在中心段微带线变成宽度为2.6mm、长度为3.8mm的矩形。

作为本发明的一种优选方案，所述改进DGS结构的刻蚀区域长度和宽度分别为11.8mm和11.6mm，其中连接螺线的金属条带宽度为0.4mm，螺旋线宽度为0.2mm，在螺旋线末尾连接一个边长为0.6mm的正方形金属片。

作为本发明的一种优选方案，所述正方形环位于DGS结构边缘和螺旋线结构之间，为边长为6mm、宽度为0.4mm的正方形环。

作为本发明的一种优选方案，所述螺旋形结构正处于上方微带线的中心矩阵的正下方。

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，介质板呈方形结构设置。

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，本发明中的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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	0.824	2.429	1.69

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，本发明提出基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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。

本发明提出了基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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，并且其由于缺陷地结构带来的高Q值，来使得阻带陷波深度有足够的深度去避免测量时产生的误差，同时使用改进缺陷地结构形成的螺旋线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是本发明中基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器中顶层的结构示意图；

图2是本发明中基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器中底层的结构示意图；

图3是本发明结构电场场强分布示意图；

图4是本发明的微流通道设计示意图；

图5是本发明的S参数示意图；

图6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、介质板；2、50欧姆电阻元件；4、SMA连接头；5、微带线；6、接地平面；7、改进缺陷地结构；8、螺旋线结构。

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至图2所示，基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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4焊接在微带线5的两侧，微带线的输入输出端宽度为1.63mm，在电阻焊接部分渐变为0.4mm，在中心段微带线变成宽度为2.6mm长度为3.8mm的矩形。微带线中间焊接段有两个缺口，由50欧姆电阻元件2焊接。中间层为罗杰斯4350介质板1。在底层刻蚀了一个改进DGS结构7。螺旋线结构8与DGS结构中间刻蚀一个边长为8mm宽度为0.4mm的正方形环，螺旋线线宽度为0.2mm，螺旋线末尾连接一个边长为0.6mm的正方形金属片，在螺旋线结构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，并且体现在螺旋线线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）

<i>L</i>

30

<i>b</i>

3

<i>g</i>

11.8

<i>l</i>

3.4

<i>W</i>

20

<i>c</i>

5.1

<i>h</i>

11.6

<i>m</i>

0.2

<i>S1</i>

1.63

<i>d</i>

3.8

<i>i</i>

8

<i>n</i>

8

<i>S2</i>

2.6

<i>e</i>

1

<i>j</i>

0.4

<i></i>

<i>a</i>

5

<i>f</i>

0.4

<i>k</i>

0.4

<i></i>

其中，中间层介质板的大小选取30×20×0.762mm³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3所示是本发明的电场的场强分布示意图，底层的改进缺陷地结构中心的螺旋线结构部分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4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5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77.78，传感器的谐振频率从2.429GHz降到0.801GHz，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6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77.78，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。

本实施例中的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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，中间置入正方先环的结构进一步优化了灵敏度，同时覆盖螺旋线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 (8)

1.基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，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；所述顶层包括一条微带线、两个50欧姆的电阻元件及两个SMA连接头，所述微带线有两个缺口处，缺口处均由50欧姆电阻元件焊接，所述微带线具有一个输入端口与一个输出端口，所述输入端口与所述输出端口均与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口分别用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层是介质板；所述底层包括改进缺陷地结构，所述改进缺陷地结构包括螺旋线与DGS结构，所述螺旋线与所述DGS结构边缘之间有一个正方形环，在DGS结构中间有一个螺旋线结构，所述螺旋线结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。

2.根据权利要求1所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：微带线的输入输出端宽度为1.63mm，在电阻焊接部分渐变为0.4mm，在中心段微带线变成宽度为2.6mm、长度为3.8mm的矩形。

3.根据权利要求2所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述DGS结构的刻蚀区域长度和宽度分别为11.8mm和11.6mm，其中连接螺线的金属条带宽度为0.4mm，螺旋线宽度为0.2mm，在螺旋线末尾连接一个边长为0.6mm的正方形金属片。

4.根据权利要求3所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述正方形环位于DGS结构边缘与螺旋线结构之间，为边长为6mm、宽度为0.4mm的正方形环。

5.根据权利要求4所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述螺旋线结构位于上方所述微带线的中心矩阵的正下方。

6.根据权利要求1或5所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述介质板为罗杰斯4350系列的介质板，其介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度是0.762mm。

7.根据权利要求6所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：介质板呈方形结构设置。

8.根据权利要求1所述的基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述微带线与所述SMA连接头之间焊接连接。

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