CN116660327A - 差分有源微波微流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波传感技术领域，具体涉及差分有源微波微流传感器。差分有源微波微流传感器包括顶层金属层、中间介质层和底层金属层；顶层金属层包括微带线结构和有源放大电路；底层金属层包括金属薄片和刻槽金属SLSP结构；刻槽金属SLSP结构是一个螺旋环结构，是由两个阿基米德螺旋线构成的平面图案；该区域放置由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成的微流控芯片并在芯片内的注射液体，通过矢量网络分析仪(VNA)测量传感器S参数曲线。本发明提供的传感器具有极高的灵敏度和Q值，从而保证了测量的准确度，因此很适用于测量介电常数。
Description
技术领域
本发明属于微波传感技术领域，具体涉及差分有源微波微流传感器。
背景技术
介质材料介电常数的准确测量在医疗保健、食品安全、工业制造中起着重要作用。近年来，平面微波谐振传感器因其无源、低成本、体积小、高可靠性、高灵敏度以及非侵入式等优点，广泛应用于生物医疗、食品安全、环境污染等监测领域。在微波谐振传感器中，谐振频率和质量因子分别与相对介电常数和电损耗有关。即当将待测样品放置到传感器上时，由于传感器谐振腔电容的增加，谐振频率会向下移动，而由于样品的介电损耗，质量因子会降低。
谐振频率和质量因子是微波谐振传感器的两个关键参数，它们决定了传感器的灵敏度和测量精度。谐振频率与被测材料样品的相对介电常数相关，当待测样品放置在传感器上时，谐振频率会发生变化，因为待测样品的介电常数不同于空气或其他环境中的介电常数。因此，谐振频率的变化量越大，传感器的灵敏度就越高，即能够更精确地检测待测样品的介电特性。然而，传感器的性能往往会受到周围环境因素的影响，例如温度、湿度等，这些因素会导致传感器的测量误差和不稳定性增加。因此，差分传感器被设计出来用于消除这些环境因素的影响，提高传感器的测量精度和可靠性。同时更高的质量因子，能够产生更强的谐振响应。质量因子的变化量与待测样品的电损耗有关。因此，当待测样品放置在传感器上时，质量因子的变化量也会影响传感器的灵敏度和测量精度。传感器的质量因子越高，测量精度就越高，同时也具有更高的灵敏度。但是，无源SLSP谐振器的空载Q值通常被局限，传感器的分辨率普遍不高。
因此，为了解决上述问题，设计一种能够提高传感器的灵敏度和质量因子，进而提高小型化传感器实用性的基于人工局域表面等离激元谐振器的差分有源微波微流传感器，就显得十分必要。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，现有的SLSP传感器，存在空载Q值通常被局限，导致传感器的分辨率不高以及质量因子低，灵敏度低的问题，提供了一种能够提高传感器的灵敏度和质量因子，进而提高小型化传感器实用性的差分有源微波微流传感器。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
差分有源微波微流传感器，包括无源谐振器和有源放大电路；所述无源谐振器为双端口器件，从顶层至底层包括微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属SLSP结构；
所述微带线设置在介质层的上表面；所述微带线结构包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线；其中第一微带线轴对称设置，第二微带线与第三微带线轴对称设置，第四微带线轴对称设置，第五微带线轴对称设置；第一微带线的一端与第二微带线的中点相连，第一微带线的另一端作为输入输出端口；第五微带线为圆角设置，第五微带线的一端与第二微带线连接，第五微带线的另一端与第三微带线连接；第一微带线与第三微带线之间设有空隙且平行设置；第二微带线与第四微带线之间设有空隙且平行设置；
所述金属薄片与介质层形状相同，且设置在介质层的下表面；所述金属薄片上刻蚀有两个刻槽金属SLSP结构，两个刻槽金属SLSP结构轴对称设置；每个刻槽金属SLSP结构均与第三微带线、第四微带线耦合。
作为优选，每个刻槽金属SLSP结构均包括由阿基米德螺旋线组成的螺旋臂；每个刻槽金属SLSP结构的中心，与第四微带线及第四微带线轴对称设置微带线间空隙的中心在平面位置上保持一致。
作为优选，所述介质层采用罗杰斯4350系列的介质基板；所述介质基板的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。
作为优选，所述输入输出端口用于连接SMA连接头；所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。
作为优选，第一微带线的长度为15mm，宽度为2.79mm。
作为优选，第二微带线、第三微带线、第四微带线的长度分别为18.72mm、7.86mm、5.5mm。
作为优选，第二微带线、第三微带线、第四微带线的宽度分别为1.64mm、1.64mm、0.5mm。
作为优选，每个刻槽金属SLSP结构的上方均设有用于测量液体介电常数的微流控芯片；所述微流控芯片内均设有用于存放液体的微流控通道；其中，一个微流控芯片内的微流控通道用于测量，另一个微流控芯片内的微流控通道作为参考。
作为优选，所述有源放大电路包括晶体管ATF54143、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6；其中晶体管ATF54143的栅极G分别与电容C3的一端、电感L3的一端相连；电容C3的另一端与电感L5的一端相连；电感L3的另一端分别与电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端相连；电阻R3的另一端与电容C1另的一端连接并接地；晶体管ATF54143的漏极D分别与电容C4的一端、电感L4的一端相连并作为放大电路的输出；电容C4的另一端与电感L6的另一端相连；电感L4的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端相连；电感L1的一端与电感L5的另一端相连并接地，电感L1的另一端与晶体管ATF54143的源极S1相连；电感L2的一端与电容C2的另一端相连并接地，电感L2的另一端与晶体管ATF54143的源极S2相连；电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接后接电源正极；电感L6的另一端接地。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明与现有的SLSP传感器相比，显著提高了传感器对不同浓度待测样品进行介电表征时的灵敏度和质量因子，能够准确的实现对待测样品的介电常数检测；(2)本发明传感器采用了T型微带线耦合深亚波长SLSP谐振器，有效提高了微带线与SLSP谐振器之间的耦合强度，使得电场紧紧束缚在SLSP的槽环边缘；(3)本发明同时采用了差分结构的设计方式，有效消除了周围环境因素的干扰，避免了测量时产生的误差；(4)本发明还添加了有源放大电路来提高传感器的质量因子。
附图说明
图1为本发明中差分有源微波微流传感器的一种结构示意图；
图2为本发明中差分有源微波微流传感器顶层的一种结构示意图；
图3为本发明中差分有源微波微流传感器底层的一种结构示意图；
图4为本发明中差分有源微波微流传感器前三个谐振点S的一种参数示意图；
图5为本发明中电场强度分布的一种示意图；
图6为本发明中PDMS及微流控通道的一种结构示意图；
图7为图6对应的一种俯视图；
图8为本发明中差分有源微波微流传感器三维层次布局的一种结构示意图；
图9为本发明中第一个传感单元和第二个传感单元同时放置微流控芯片后，两个传感单元的传输系数与不同浓度待测液体的介电常数关系的一种示意图；
图10为本发明中有源放大电路的一种结构示意图；
图11为本发明中差分有源微波微流传感器放大前后的一种数据对比图。
图中：介质层1、SMA连接头2、第一微带线3、第二微带线4、第三微带线5、第四微带线6、第五微带线7、金属薄片8、刻槽金属SLSP结构9、微流控通道10。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例：
如图1至图3所示，本发明提供了差分有源微波微流传感器，包括无源谐振器和有源放大电路；所述无源谐振器为双端口器件，从顶层至底层包括微带线结构、介质层1、金属薄片8、两个刻槽金属SLSP结构9；
所述微带线设置在介质层的上表面；所述微带线结构包括第一微带线3、第二微带线4、第三微带线5、第四微带线6和第五微带线7；其中第一微带线轴对称设置，第二微带线与第三微带线轴对称设置，第四微带线轴对称设置，第五微带线轴对称设置；第一微带线的一端与第二微带线的中点相连，第一微带线的另一端作为输入输出端口，所述输入输出端口用于连接SMA连接头2，第一微带线与所述SMA连接头之间焊接连接；所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；第五微带线为圆角设置，第五微带线的一端与第二微带线连接，第五微带线的另一端与第三微带线连接；第一微带线与第三微带线之间设有空隙且平行设置；第二微带线与第四微带线之间设有空隙且平行设置；
所述金属薄片与介质层形状相同，且设置在介质层的下表面；所述金属薄片上刻蚀有两个刻槽金属SLSP结构，两个刻槽金属SLSP结构轴对称设置；每个刻槽金属SLSP结构均与第三微带线、第四微带线耦合。
每个刻槽金属SLSP结构均包括由阿基米德螺旋线组成的螺旋臂；每个刻槽金属SLSP结构的中心，与第四微带线及第四微带线轴对称设置微带线间空隙的中心在平面位置上保持一致。
其中，所述介质层采用罗杰斯4350系列的介质基板；所述介质基板的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。
如图4所示是本发明实施例提供的传感器前三个谐振点S参数示意图，图5对应谐振点的电场强度分布示意图。第一个谐振点对应的电场最强区域更为集中，具有更强的电场分布。
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，如下表所示。
表1差分有源微波微流传感器仿真参数表
| 参数 | lm | l1 | l2 | l3 | wm | w1 |
| 数值(mm) | 15 | 18.72 | 7.86 | 5.5 | 2.79 | 1.64 |
| 参数 | w2 | w3 | s | r | ||
| 数值(mm) | 1.64 | 10 | 4 | 1 |
如图6所示是本发明的PDMS及微流控通道示意图。微流控通道10由聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料组成。PDMS被设计成环形去贴合SLSP传感器。当微流控通道流入不同介电常数的待测液体时，谐振频点会发生位移。通过频点的相对偏移量，可表征传感器的灵敏度。PMDS厚度为5mm，通道的宽度和厚度分别为1mm和0.4mm。如图7所示，微流控通道详细的参数设计如下：R＝6.7mm，r1＝2mm，r2＝3.2mm，d＝1mm。
如图8所示是本发明的三位层次布局结构示意图，每个传感单元上被放置了一个含微流控通道的PDMS。第一个微流控通道用于测量，内部可注射待测液体，第二个微流控通道用作参考使用，内部不注射待测液体。
如图9所示是本发明的第一个传感单元和第二个传感单元同时放置微流控芯片后，两个传感单元的传输系数与不同浓度待测液体的介电常数关系示意图。可以看出，待测液体的介电常数从1增加到80，第一个传感单元的谐振频率由0.73GHz降低到了0.4GHz，频率偏移量为330MHz，相对灵敏度为0.57％，相比于现有的SLSP传感器灵敏度显著提升；第二个传感单元的传输系数没有明显变化；两个传感单元传输系数的相对变化量排除了环境因素的干扰。
图10是本发明的有源放大电路示意图。所述的有源放大电路是由晶体管、电阻、电容和电感构成，其中晶体管ATF54143的栅极G分别与电容C3的一端、电感L3的一端相连；电容C3的另一端与电感L5的一端相连；电感L3的另一端分别与电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端相连；电阻R3的另一端与电容C1另的一端连接并接地；晶体管ATF54143的漏极D分别与电容C4的一端、电感L4的一端相连作为放大电路的输出；电容C4的另一端与电感L6的另一端相连；电感L4的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端相连；电感L1的一端与电感L5的另一端相连并接地，电感L1的另一端与晶体管ATF54143的源极S1相连；电感L2的一端与电容C2的另一端相连并接地，电感L2的另一端与晶体管ATF54143的源极S2相连；电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接后接电源正极；电感L6的另一端接地；L1＝0.45nH，L2＝0.45nH是串联的电导，L2的合理取值能使谐振器保持稳定，并能防止不必要的振荡。
电磁信号将从左端进入有源放大电路输入端，经过放大再从右端输出，偏置电路部分各集总元件预设值为：电阻R1＝40Ω，R2＝335Ω，R3＝50Ω，输入端扼流电感L3＝3.9nH，旁路电容C1＝3.9pF，输出端扼流电感L4＝22nH，旁路电容C2＝10pF，阻抗匹配部分各集总元件预设值为：电容C3＝7.1pF，电容C4＝2.1pF，电感L5＝6.4nH，电感L6＝29.4nH。
图11仿真结果显示，有源电路的添加大大提高了谐振频率0.746GHz处的质量因子Q值，除此之外，可以通过调节偏置电路电容电感值实现不同的信号放大效果，以满足不同的需求。
本实施例的一种基于人工局域表面等离激元谐振器的差分有源微波微流传感器，与现有的SLSP谐振式传感器相比，显著的提高了传感器对不同液体介电常数进行表征时的灵敏度和质量因子，并采用微流控通道减少液体用量。
本发明与现有的SLSP传感器相比，显著提高了传感器对不同浓度待测样品进行介电表征时的灵敏度和质量因子，能够准确的实现对待测样品的介电常数检测；本发明传感器采用了T型微带线耦合深亚波长SLSP谐振器，有效提高了微带线与SLSP谐振器之间的耦合强度，使得电场紧紧束缚在SLSP的槽环边缘；本发明同时采用了差分结构的设计方式，有效消除了周围环境因素的干扰，避免了测量时产生的误差；本发明还添加了有源放大电路来提高传感器的质量因子。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.差分有源微波微流传感器，其特征在于，包括无源谐振器和有源放大电路；所述无源谐振器为双端口器件，从顶层至底层包括微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属SLSP结构；
所述微带线设置在介质层的上表面；所述微带线结构包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线；其中第一微带线轴对称设置，第二微带线与第三微带线轴对称设置，第四微带线轴对称设置，第五微带线轴对称设置；第一微带线的一端与第二微带线的中点相连，第一微带线的另一端作为输入输出端口；第五微带线为圆角设置，第五微带线的一端与第二微带线连接，第五微带线的另一端与第三微带线连接；第一微带线与第三微带线之间设有空隙且平行设置；第二微带线与第四微带线之间设有空隙且平行设置；
所述金属薄片与介质层形状相同，且设置在介质层的下表面；所述金属薄片上刻蚀有两个刻槽金属SLSP结构，两个刻槽金属SLSP结构轴对称设置；每个刻槽金属SLSP结构均与第三微带线、第四微带线耦合。
2.根据权利要求1所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，每个刻槽金属SLSP结构均包括由阿基米德螺旋线组成的螺旋臂；每个刻槽金属SLSP结构的中心，与第四微带线及第四微带线轴对称设置微带线间空隙的中心在平面位置上保持一致。
3.根据权利要求1所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，所述介质层采用介质基板；所述介质基板的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.762mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，所述输入输出端口用于连接SMA连接头；所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。
5.根据权利要求4所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，第一微带线的长度为15mm，宽度为2.79mm。
6.根据权利要求1所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，第二微带线、第三微带线、第四微带线的长度分别为18.72mm、7.86mm、5.5mm。
7.根据权利要求6所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，第二微带线、第三微带线、第四微带线的宽度分别为1.64mm、1.64mm、0.5mm。
8.根据权利要求1所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，每个刻槽金属SLSP结构的上方均设有用于测量液体介电常数的微流控芯片；所述微流控芯片内均设有用于存放液体的微流控通道；其中，一个微流控芯片内的微流控通道用于测量，另一个微流控芯片内的微流控通道作为参考。
9.根据权利要求1所述的差分有源微波微流传感器，其特征在于，所述有源放大电路包括晶体管ATF54143、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6；其中晶体管ATF54143的栅极G分别与电容C3的一端、电感L3的一端相连；电容C3的另一端与电感L5的一端相连；电感L3的另一端分别与电容C1的一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端相连；电阻R3的另一端与电容C1另的一端连接并接地；晶体管ATF54143的漏极D分别与电容C4的一端、电感L4的一端相连并作为放大电路的输出；电容C4的另一端与电感L6的另一端相连；电感L4的另一端分别与电容C2的一端、电阻R1的一端相连；电感L1的一端与电感L5的另一端相连并接地，电感L1的另一端与晶体管ATF54143的源极S1相连；电感L2的一端与电容C2的另一端相连并接地，电感L2的另一端与晶体管ATF54143的源极S2相连；电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接后接电源正极；电感L6的另一端接地。
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| CN118329935A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-07-12 | 江苏省镇江环境监测中心 | 农田土壤微塑料污染现场检测用集成微波传感装置及检测方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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