CN114354653A - 基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，具有三层结构，顶层包括两条微带线、金属片、IDC‑SRR结构及SMA连接头，微带线具有输入端口与输出端口，且输入端口与输出端口分别连接SMA连接头，SMA连接头与矢量网络分析仪相连通，IDC‑SRR结构上置有一个内部形成微流体通道的PDMS；中间层包括具有四个金属通孔的介质板；底层包括金属薄片、两条微带线及SRR结构，金属薄片中间形成刻蚀区；四个金属通孔连通顶层与底层；SRR结构一端通过两个金属通孔连接顶层的IDC‑SRR的交指电容，另一端通过另外两个金属通孔连接顶层的金属片。该传感器灵敏度高、测量范围宽，检测误差小，保证检测结果。

Description

基于改进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，具体是基于改进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，基于超材料的微波谐振器由于体积小、质量轻、易于制造及成本低，因此成为平面技术中传感器应用的绝佳选择。这些平面传感器大部分通过设计加载到传输线上的超材料单元产生的电或磁耦合，在某个谐振频率从产生阻带传输陷波。当不同介电常数的材料与谐振器接触时，通过改变附近电场来改变最终的陷波频率点来达到检测的目的。

近年来，基于开口谐振环(Split-ring resonator-SRR)和互补开口谐振环(Complementary split-ring resonator-CSRR)开发的传感器由于其较为优秀的性能受到大量的关注。SRR因其独特的拓扑结构能极大地把电场束缚在传感区域，当把待测液体(Liquid under test-LUT)放在感测区，液体的介电常数改变了附近的电容大小从而导致谐振频率和品质因数的变化。传感器的性能往往由陷波Q值的大小和灵敏度来判断，Q值的高低决定了在观察感测时产生的误差大小；传感器的灵敏度决定了设计的结构能感测介电常数的宽度和精度。

交指电容(Inter-digital capacitor-IDC)结构能够在实现电场极大束缚的同时由于其特殊的缝隙结构非常适合运用于微流液体感测，从而避免在大部分传感器的设计中，往往会因为低灵敏度在检测时产生不必要的误差，并且在很大程度上减少了LUT的用量，导致了实验测量产生的废液处理和环境污染问题。

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:基于改进开口谐振环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；所述顶层包括两条微带线、金属片、一个IDC-SRR结构及两个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IDC-SRR结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道；所述中间层包括具有四个金属通孔的介质板；所述底层包括边缘为金属层的金属薄片、两条微带线及SRR结构，所述金属薄片中间形成刻蚀区；四个所述金属通孔连通所述顶层与所述底层；所述SRR结构一端通过两个金属通孔连接到顶层的IDC-SRR的交指电容的两侧，另一端通过另外两个金属通孔连接到顶层的金属片的两端。

作为本发明的一种优选方案，所述微带线的宽度为1.44mm，且在中间耦合部分缩小宽度至0.4mm。

作为本发明的一种优选方案，所述IDC-SRR结构与所述SRR结构的微带宽度均为0.2mm，其中交指结构的交指长度为2.4mm，指宽为0.2mm，缝隙宽度为0.2mm，交指数为8根。

作为本发明的一种优选方案，所述刻蚀区呈矩形设置。

作为本发明的一种优选方案，呈矩形设置的所述刻蚀区的面积大于谐振器的平面面积。

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，本发明提出了基于改进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，而且较低的谐振频率也减少了设备感测成本，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，并且通过双SRR结构补偿Q值低的问题，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是本发明中基于改进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是本发明中基于改进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是本发明中基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器的结构示意图；

图4是本发明结构电场场强分布示意图；

图5是本发明的微流通道设计示意图；

图6是本发明的S参数示意图；

图7是本发明的传输系数与待测不同浓度的乙醇溶液介电常数对应关系图。

附图标记：1、介质板；2、SMA连接头；3、主微带线；4、侧微带线；5、电场强度最大区域；6、通孔；7、IDC-SRR结构；8.金属薄片。

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3所示，基于改进开口谐振环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2焊接在主微带线3两侧，侧微带线4和IDC-SRR结构7耦合在主微带线3旁边，间距为0.2mm。中间层为罗杰斯4350介质板1和四个金属通孔6。在底层的金属薄片8中刻蚀了一个矩形的区域，在区域当中有两条微带线，各自连接两个通孔连通到顶层的侧微带线4和IDC-SRR结构7。在电场场强最大区域5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，相关尺寸通过软件得到，如表二所示：

表二

其中，中间层介质板的大小选取39×18×0.762mm³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4所示是本发明的电场的场强分布示意图，顶层的IDC-SRR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5所示的是本发明的微流通道设计示意图，罗杰斯4350介质板是一个介电常数为3.66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，没有气泡为止。

如图6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也随之改变，当乙醇体积分数从100%改变到0%时，谐振频率从1.206GHz降到0.584GHz，陷波深度从-9.4dB到-7.6dB。我们用体积分数10%到90%步长为20%的液体样品的结果依靠数学工具拟合出了曲线关系。并且用体积分数0%到100%步长为20%的液体样品对该曲线的精准度进行了验证，并且取得了合理的一致性。

如图7所示的是本发明的根据体积分数10%到90%步长为20%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。

本实施例中的基于改进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，并且通过双SRR结构补偿Q值低的问题，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。

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.基于改进开口谐振环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；所述顶层包括两条微带线、金属片、一个IDC-SRR结构及两个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IDC-SRR结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道；所述中间层包括具有四个金属通孔的介质板；所述底层包括边缘为金属层的金属薄片、两条微带线及SRR结构，所述金属薄片中间形成刻蚀区；四个所述金属通孔连通所述顶层与所述底层；所述SRR结构一端通过两个金属通孔连接到顶层的IDC-SRR的交指电容的两侧，另一端通过另外两个金属通孔连接到顶层的金属片的两端。

2.根据权利要求1所述的基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述微带线的宽度为1.44mm，且在中间耦合部分缩小宽度至0.4mm。

3.根据权利要求1所述的基于改进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IDC-SRR结构与所述SRR结构的微带宽度均为0.2mm，其中交指结构的交指长度为2.4mm，指宽为0.2mm，缝隙宽度为0.2mm，交指数为8根。

4.根据权利要求1所述的基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：所述刻蚀区呈矩形设置。

5.根据权利要求4所述的基于改进开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，其特征在于：呈矩形设置的所述刻蚀区的面积大于谐振器的平面面积。

6.根据权利要求1所述的基于改进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。

7.根据权利要求6所述的基于改进开口谐振环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。

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