CN114325117A - 一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，包括介质层、底部金属地；介质层由上介质基板与下介质基板层叠而成，底部金属地处于下介质层的下表面，上介质基板的上表面设置谐振环、环状耦合结构及放大电路；上介质基板、下介质基板之间设置两条微带线；与谐振环每个金属存根末端相对应的上介质基板、下介质基板、底部金属地形成过孔，过孔的内壁设有金属壁，此金属壁与谐振环的相对应金属存根末端相触，并在金属壁底部形成底部延长金属存根，底部延长金属存根与底部金属地隔离。本发明设计能够显著减小谐振环尺寸和液体用量，能够增强金属表面的慢波效应，并进一步缩小谐振环尺寸。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器制造技术领域，特别涉及一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，用于液体介电常数检测。
背景技术
微波谐振式传感器不同于光学、机械或是其他的检测手段，其具有便携、即时、非接触式、无标签、可靠性佳等优点，在保证一定精确度的同时省去了昂贵的实验室设备成本和大量的时间成本，现已广泛应用于生物医疗、食品安全、环境污染监测等领域。
一般来说，高频信号在各种微波材料中的传播特性主要取决于材料的电磁参数，而材料的介电常数作为电磁特性中最重要的参数之一，却无法被直接测量，只能通过转化为其他可读变量间接测量。而微波谐振器的谐振频率会受放置于其表面样本的微扰，可基于此来检测样本的介电常数。聚甲基二硅烷(PDSM)由于低成本、环保且易于定制，应用于介电常数检测时能大大节省液体用量，同时保证测量准确性。
局域表面等离激元(Localized Surface Plasmons，LSPs)是电磁波与金属表面自由电子相互作用形成的电子疏密波，在红外和光波段，入射电磁波频率在金属等离频率范围内时，会引发金属内传导电子集体振荡，导致电场的亚波长局域化，同时具有明显的场增强，当放置样品于金属表面时，电场于与样品的相互作用也因此提高，基于此原理设计传感器能有效提高灵敏度。
然而，由于微波段电磁波无法有效穿透金属，导致了局域表面等离激元无法自然形成。通过人工放置周期性的过孔或是封闭波纹结构，增加了电磁波与金属的接触面积，产生了类似于局域表面等离激元的物理现象，称之为Spoof Localized Surface Plasmons(SLSP)。SLSP可看作是(LSP)在更低频段的扩展，具有与其相似的色散关系和电磁表现。
SLSP作为局域性的电磁模式，不需要波矢匹配的激励电磁波，可以通过简单的馈电结构如微带线进行激发，也可以通过人工表面等离激元极化(Spoof Surface PlasmonPolaritons)结构的传输线对其进行馈电以提高激励效率，但用于激发的SSPP传输线长度往往会是SLSP谐振环的几倍，占据了整体体积的大部分。因此，如何在保障性能的同时对器件进行小型化具有重要的意义。
品质因数是传感器的重要性能参数，高品质因数的传感器意味着高分辨率，使其能够捕捉外界环境的细微变化。当传感器上放置像水这样的高电磁吸收样品时，会引起较大的损耗，导致品质因数的下降，这是难以避免的。基于此，本发明添加了外部有源放大电路，对其性能进行补偿。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种四分之一模SLSP微流传感器，其名称是一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，旨在实现SLPS小型化传感应用，同时加载外部放大电路对传感器品质因数进行补偿。本发明传感器可用于液体介电常数检测。
为达到上述目的，本发明按以下技术方案实现：
一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，包括介质层、底部金属地；所述的介质层由上介质基板(7)与下介质基板(8)层叠而成，底部金属地(9)处于下介质层(8)的下表面，上介质基板(7)的上表面设置谐振环(3)、环状耦合结构(4)及放大电路(2)；上介质基板(7)、下介质基板(8)之间设置两条微带线(1)；与谐振环(3)每个金属存根末端相对应的上介质基板(7)、下介质基板(8)、底部金属地(9)形成过孔(5)，过孔(5)的内壁设有金属壁，此金属壁与谐振环(3)的相对应金属存根末端相触，并在金属壁底部形成底部延长金属存根(6)，底部延长金属存根(6)与底部金属地隔离。
优选的，两条微带线(1)分别用于输入、输出端口的50欧姆阻抗匹配，两条50欧姆微带线(1)所在直线呈90度，两条50欧姆微带线(1)外端相对应的上介质基板(6)边沿切去小块用于焊接SMA头；两条50欧姆微带线(1)的外端分别延伸至介质层的两相邻边沿且与相对应的SMA头相连。
优选的，微带线(1)的宽度ws＝1.5mm，长度ls＝12mm。
优选的，底部延长金属存根的周围有刻蚀凹槽，从而与底部金属地(9)隔离。
优选的，上介质基板(7)与下介质基板(8)均呈方形，尺寸相同，长宽边对齐层叠。
优选的，上介质基板(7)与下介质基板(8)均采用罗杰斯5880系列介质基板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.009，厚度为0.508mm。
优选的，放大电路(2)由低噪声放大器芯片ATF54143和偏置电路组成。
优选的，底部金属地(9)有刻蚀团。
优选的，谐振环(3)为四分之一模SLSP谐振环3，由九个LSSP单元构成。
优选的，谐振环(3)上表明放置PDMS模块，PDMS模块设有微流体通道。
本发明所提出的四分之一模的设计能够显著减小谐振环尺寸和液体用量，折叠结构引入了额外的电容，能够增强金属表面的慢波效应，并进一步缩小谐振环尺寸。微流体通道方案能够减少高电磁吸收样品带来的损耗，此外还添加有源放大电路来提高传感器品质因数。本发明传感器也可用于无创检测、可穿戴设备等领域。
附图说明
图1是本发明实施例的微波传感器的三维结构示意图；
图2是本发明实施例的微波传感器的顶层、中间层、底层结构图及各项参数标注图；
图3是本发明实施例的单元SLSP色散曲线示意图；
图4是本发明实施例传感器全模S参数与电场分布图；
图5是本发明实施例传感器四分之一模S参数与电场分布图；
图6是本发明实施例PDMS模块及微流通道示意图；
图7是本发明实施例不同介电常数样本S参数仿真结果图及两个模式灵敏度对比图；
图8是本发明实施例有源放大电路及放大前后对比图。
其中，1.馈电微带；2.放大电路；3.四分之一模SLSP谐振环；4.环状耦合结构；5.折叠结构金属过孔；6.底部延长金属存根；7.上介质基板；8.下介质基板；9.底部金属地。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，其是本发明优选实施例微波微流传感器的三维结构图，本实施例涉及一种双端口微波传感，该微波传感器为双端口器件，其特性在于小型化和高品质因数，其包括三层金属层、两层介质层。
两层介质层分别是上介质基板7、下介质基板8，两介质层均呈方形，尺寸相同，长宽边对齐层叠，两介质层均采用罗杰斯5880系列介质基板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.009，厚度为0.508mm。
处于顶层(即处于上介质基板7的上表面)金属结构包括四分之一模SLSP谐振环3、环状耦合结构4和有源放大电路2；四分之一模折叠式SLSP谐振环3由九个LSSP单元构成，其表面能聚集强电场，从而加强电场与样品的交互，从而提升灵敏度。
在谐振状态下，谐振环3中的电磁信号通过环状耦合结构4流入放大电路2，信号经过放大后通过再通过环状耦合结构4流回谐振环3。放大电路2由低噪声放大器芯片ATF54143和偏置电路组成，使用时需要外接直流电，用于对传感器品质因数进行补偿。ATF54143为Avago Technologies公司出品的低噪声增强型高电子迁移率晶体管ATF54143，频率范围450MHz～6GHz。
馈电结构为中间金属层的两条微带线1，分别用于输入、输出端口的50欧姆阻抗匹配，两条50欧姆微带线1所在直线呈90度，两条50欧姆微带线1处于两介质基板7、8之间，其上方介质基板7的边沿需切去小块用于焊接SMA头；两条50欧姆微带线1的外端延伸至介质基板的两相邻边沿且可与相对应的SMA头相连，再由矢量网络分析仪进行测试。馈电微带1的宽度ws＝1.5mm，长度ls＝12mm。
底部金属层为金属地9，处于下介质基板8的下表面，金属地同时有刻蚀团以实现折叠SLSP结构。
与顶层谐振环3的每个金属存根末端相对应的上介质基板7、下介质基板8、底部金属地9形成接地过孔5，过孔5的内壁设有金属壁，此金属壁与谐振环3的相对应金属存根末端相触，并在其底部对金属存根进行延长形成底部延长金属存根6。耦合结构将信号从谐振环引入放大电路进行放大。底部为延长部分的金属存根6，周围有刻蚀凹槽，从而与金属地隔离。金属过孔5通过连接上下金属存根来形成折叠结构，能有效减小传感器的电尺寸，增加谐振环表面慢波效应。
如图2所示，传感器各层结构示意和折叠结构细节，金属谐振环的各项参数为(均为毫米级)：r＝14.5,s＝0.8,h＝5,t1＝0.5,t2＝0.3,t3＝0.3,ws＝0.1,d1＝0.4，d2＝0.2，d3＝2。两端微带分别与一个SMA头连接。
如图3所示色散曲线，ky为SLSP单元波矢量，周期长度p为2.4mm。本发明将其与普通非折叠SLSP单元进行对比。图中各条曲线分别为光线、普通SLSP单元和折叠SLSP单元的色散曲线。随着频率增加，后三者逐渐偏离光线，说明SLSP单元比光线波矢量k0更大，象征着波速的降低，从而引起慢波效应，导致高度局域的电磁场，也意味着与放置其上的样本更强的交互，这非常有利于传感。折叠式SLSP单元相比普通SLSP单元，截止频率降低了41％。相比于拥有相同截止频率的单元,存根长度缩小了44％。由此可以说明结构相比于普通结构既能增强慢波效应，又能缩小器件尺寸。
如图4所示，为了证明所提出的四分之一模结构确实是相对于全模的小型化，本发明首先对具有相同物理参数的全模折叠式SLSP谐振环进行全波电磁仿真，可以看到该谐振环具有多个谐振模式，取较为明显的前六个模式m1-m6，对其电场分布进行分析，发现其分别对应于偶极模式、四极模式、六极模式、八极模式、十极模式和十二极模式。接着对所提出的四分之一模结构进行电磁仿真，如图5所示，发现个别模式被消除，新的m1’、m2’、m3’模式对应于全模的四极模式、八极模式和十二极模式的四分之一。其余模式由于靠近截止频率，振幅较低，故不适合被选用。根据二维电场分布图，可以看出m1’,m2’是高度局域化的模式，具有很高的电场强度，它们对附近的任何环境变化都非常敏感。m3’模式电场强度相对较低，品质因数也明显小于两个模式，且过于靠近m4’，在频率发生偏移时容易受到其影响，不利于传感。因此，后续主要比较模式m1’与m2’在不同介电常数样本下的相对偏移量，之后选用相对偏移量更大的频点作为应用。间接性的模式消除能够防止各个谐振点在进行偏移时相互影响，从而影响传感器的动态范围。仿真结果表明四分之一模结构确实是全模结构的小型化对应物，不仅如此，其相比于全模结构还具有成本低、动态范围大等优越性。
放置于谐振环3上表明的PDMS模块，其设有微流体通道，此微流体通道具有液体流入口、液体流出口，当待测样品流经通道时，会改变谐振环凹槽间电容值从而引起频偏，可根据频偏推测出液体介电常数。具体如图6所示，在一块形状为扇形，高度为5mm的PMDS中放置了宽度为1mm，高度为0.4mm的一段环形通道，以及两个圆柱用于液体流入和流出。PDMS模块各项参数如下(均为毫米级)：r＝14.5,r1＝6.7,r2＝10.9,θ1＝90°,θ2＝110°。当不同介电常数的液体流经通道时，会改变谐振环各个凹槽间的电容值，从而引起谐振频率的改变，最后通过拟合出介电常数与频率偏移之间的关系式来达到测量不同浓度的乙醇溶液介电常数的目的。
如图7所示，分别对m1’、m2’模式在样品介电常数1-80的情况下进行S21参数仿真，m1’模式空载谐振频率为2.16GHz，绝对频偏156MHz，相对频偏量为7.20％,m2’模式空载谐振频率为3.80GHz，绝对频偏394GHz,相对频偏量为10.04％,可以得到m1模式有更好的灵敏度和线性度.
放大部分如图8所示，在谐振环顶部引入耦合结构，中间设有两排接地过孔。电磁信号将从左端通过耦合结构进入放大电路输入端，经过放大再从右端输出返回谐振环，偏置电路部分各集总元件预设值为：电阻R1＝38Ω,R2＝337Ω,R3＝50Ω,输入端串联电感L1＝3.9nH，隔直电容C1＝22Pf，旁路电容C3＝3.9pF,输出端串联电感L2＝22nH，隔直电容C2＝22Pf，旁路电容C4＝10pF，封装都采用0603。可以看到加载放大电路后传感器品质因数有较大的提升，这有助于提高检测的分辨率，提高传感器性能。
本发明小型化的四分之一模折叠式LSSP微流传感器，采用双层介质板结构，由位于中间金属层的双端口微带馈电，顶层谐振环每个金属存根末端通过金属过孔连接到底部金属地，并在底部对存根进行延长以缩小电尺寸。谐振环上放置设有微流通道的PDMS模块，通过注入液体后引起的谐振点偏移量来间接测量液体介电常数。顶层集成了有源放大电路，能够对传感器品质因数进行补偿放大。本发明传感器同样可运用于无创检测、可穿戴设备等领域。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于包括介质层、底部金属地；
所述的介质层由上介质基板(7)与下介质基板(8)层叠而成，底部金属地(9)处于下介质层(8)的下表面，上介质基板(7)的上表面设置谐振环(3)、环状耦合结构(4)及放大电路(2)；上介质基板(7)、下介质基板(8)之间设置两条微带线(1)；
与谐振环(3)每个金属存根末端相对应的上介质基板(7)、下介质基板(8)、底部金属地(9)形成过孔(5)，过孔(5)的内壁设有金属壁，此金属壁与谐振环(3)的相对应金属存根末端相触，并在金属壁底部形成底部延长金属存根(6)，底部延长金属存根(6)与底部金属地隔离。
2.如权利要求1所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，两条微带线(1)分别用于输入、输出端口的50欧姆阻抗匹配，两条50欧姆微带线(1)所在直线呈90度，两条50欧姆微带线(1)外端相对应的上介质基板(7)边沿切去小块用于焊接SMA头；两条50欧姆微带线(1)的外端分别延伸至介质层的两相邻边沿且与相对应的SMA头相连。
3.如权利要求1或2所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，微带线(1)的宽度ws＝1.5mm，长度ls＝12mm。
4.如权利要求1所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，底部延长金属存根的周围有刻蚀凹槽，从而与底部金属地(9)隔离。
5.如权利要求1所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，上介质基板(7)与下介质基板(8)均呈方形，尺寸相同，长宽边对齐层叠。
6.如权利要求1、2或5所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，上介质基板(7)与下介质基板(8)均采用罗杰斯5880系列介质基板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.009，厚度为0.508mm。
7.如权利要求1所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，放大电路由低噪声放大器芯片ATF54143和偏置电路组成。
8.如权利要求1或4所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，底部金属地(9)有刻蚀团。
9.如权利要求1所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，谐振环(3)为四分之一模SLSP谐振环，由九个LSSP单元构成。
10.如权利要求1或9所述折叠式人工局域表面等离激元微波微流传感器，其特征在于，谐振环(3)上表面放置PDMS模块，PDMS模块设有微流体通道。
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