CN114354652B - 基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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、一片金属地、一个50欧姆的电阻元件及一个SMA连接头，所述微带线具有一个输入端口，所述的微带线的另一个端口通过50欧姆的电阻元件连接微带线和金属地，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层是介质板；所述底层包括一个改进SRR结构、所述改进结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。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

基于负载开口谐振环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，具体是基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器。

背景技术

近年来，基于微波谐振器的传感器因其在许多传感应用中的潜在应用而得到了广泛的开发，包括位移和旋转传感，金属和非金属材料的裂纹检测，医疗，以及固体电介质和液体化学品的介电常数测量。这些传感器主要用于确定根据谐振器电磁波与材料之间的相互作用，测试材料的浓度或物理特性。这种相互作用导致谐振器的等效电感和电容发生变化，从而导致谐振器S参数的变化及其中心频率的偏移。这些变化与感测材料的电气特性和物理特性密切相关。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。

在谐振型方法中，主线至少要加载一个电小型的谐振元件，通常是开口谐振环谐振器(Split-ring resonator-SRR)或互补开口谐振环振器(Complementary split-ringresonator-CSRR)。例如加载了SRR的周期线在谐振频率下表现出负磁导率，而当加载了CSRR时，该结构表现为负介电常数的超材料。在这两种情况下，复合右手/左手（Compositeright/left handed-CRLH）行为都可以通过添加并联电感器（SRR载线路）或串联电容器（CSRR负载线路）来实现。SRR结构在开口区域聚集成强电场，当强电场空间被待测液体(Liquid under test-LUT)代替，则空间的有效介电常数随着改变，根据液体的不同对电容产生不同的影响，最终体现在谐振频率点的偏移和Q值大小的改变，这两者往往被用来描述传感器的性能。传感器的灵敏度被定义为传感器空载时与满载时分别的谐振频率点的比值，这代表了传感器的感测范围与精度，而Q值越大，传感器分辨率越大。

共面波导(Coplanar waveguide -CPW)是指在介质基板中间刻蚀出金属导带，并且与同一平面的接地带在其两侧留有一定空隙的传输线结构。与传统的传输线相比，CPW具有更小的色散和耦合度，并且在毫米波频段的设计中有不可替代地位。在制作工艺中，CPW的电路尺寸更小，并且不需要背敷金属，其空余的基板底层提供了足够的设计空间。目前基于CPW的微波器件往往被设计成滤波器件，而很少涉及谐振式传感器的设计。

发明内容

为了挖掘基于CPW的谐振式传感器的潜力，本发明的发明目的在于提供基于负载开口谐振环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:基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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、一片金属地、一个50欧姆的电阻元件及一个SMA连接头，所述微带线具有一个输入端口，所述的微带线的另一个端口通过50欧姆的电阻元件连接微带线和金属地，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层是介质板；所述底层包括一个改进SRR结构、所述改进结构上面置有一个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，所述中心微带线的宽度为2.4mm，且在中间部分扩大宽度至6mm，微带线与金属地间距为0.2mm。

作为本发明的一种优选方案，所述改进SRR结构的微带宽度均为0.2mm，其中交指结构的交指长度为1mm，内部指宽为0.2mm，缝隙宽度为0.2mm，交指数为11根，最外侧两根交指宽度为0.3mm。

作为本发明的一种优选方案，改进SRR结构的两侧的环形位于中间层间隙的正下方。

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，本发明中的基于负载开口谐振环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

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，本发明提出基于负载开口谐振环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。

本发明提出了基于负载开口谐振环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CPW馈电带来的高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SRR结构处形成的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是本发明中基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器中顶层的结构示意图；

图2是本发明中基于负载开口谐振环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、接地平面；2、50欧姆电阻元件；3、中心微带线；4、SMA连接头；5、改进SRR结构；6、介质板；7、电场强度最大区域。

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，基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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焊接在中心微带线3的一侧，中心微带线的宽度为2.4mm，且在中间部分扩大宽度至6mm，过渡部分直线渐变，接地平面1为金属地，接地平面1与微带线间距为0.2mm。主微带线与接地平面通过一个50欧姆电阻元件2焊接。中间层为罗杰斯4350介质板6。在底层刻蚀了一个改进SRR结构5。在电场场强最大区域7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

其中，中间层介质板的大小选取40×30×0.762mm³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SRR结构的中心交指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，用注射器注入不同浓度的乙醇-水混合溶液后，随着两种液体的比例发生变化，混合溶液的有效介电常数从1变化到78，当乙醇体积分数从100%改变到0%时，谐振频率从2.23GHz降到0.92GHz。并且随着乙醇浓度的不同，其溶液的损耗也呈非线性变化，会影响谐振频率和峰值衰减（|S21| min）。

如图6所示的是本发明的根据体积分数0%到100%步长为10%的液体样品拟合的数学关系示意图。可以观察到，随着介电常数的增加，频率偏移速度变缓，为此可以根据其表现出的数学关系，拟合出较为精准的曲线，用于后续体积分数的测量。

本实施例中的基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，实现了CPW加载谐振器来感测介质材料的功能，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，同时优化SRR结构形成的交指结构是为了配合微流控传感器而设计。

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 (6)

1.基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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、一个金属地、一个50欧姆电阻元件及一个SMA连接头，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微带线连接，所述输出端口通过50欧姆的电阻元件连接所述微带线与所述金属地，且所述输入端口与所述输出端口用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层为介质板；所述底层包括一个改进SRR结构，所述改进SRR结构开口处形成交指结构，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；所述微带线的宽度为2.4mm，且在中间部分扩大宽度至6mm，所述微带线与所述金属地间距为0.2mm。

2.根据权利要求1所述的基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述改进SRR结构的微带宽度为0.2mm，其中交指结构的交指长度为1mm，内部指宽为0.2mm，缝隙宽度为0.2mm，交指数为11根，最外侧两根交指宽度为0.3mm。

3.根据权利要求2所述的基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述改进SRR结构的两侧为环形，环形位于所述中间层间隙的正下方。

4.根据权利要求3所述的基于负载开口谐振环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。

5.根据权利要求4所述的基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述介质板呈方形结构设置。

6.根据权利要求1所述的基于负载开口谐振环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。