CN116973634B - 测量液体介电常数的传感器及测量乙醇浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
测量液体介电常数的传感器及测量乙醇浓度的方法，其中传感器包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，所述CSRR结构包括相互对称的两个线性凹槽，线性凹槽围成口字形结构，线性凹槽一侧的中间位置设有缺口，线性凹槽位于缺口处的两个端头向口字形结构的内部延伸并形成并列结构；线性凹槽的相对侧向口字形结构内连续凸出设置有U形结构并形成测试区，两个线性凹槽内的测试区并列设置且根据阻抗匹配相互靠近，两个线性凹槽内的缺口均与微带线上下对应；通过将两个线性凹槽内的测试区通过阻抗匹配并列设置，从而使得线性凹槽的电场被聚集在测试区，减少了CSRR结构的电场损失，提高了测试区的电场强度和测试灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微波传感技术领域，具体涉及测量液体介电常数的传感器及测量乙醇浓度的方法。
背景技术
微波谐振器传感器由于其高灵敏度、鲁棒性和低制造和测量成本，在医疗保健、生物医学和工业等许多领域受到重视。在微波频率下，测量和监测液体或固体材料的介电特性在电子、食品、医疗和研究行业等领域至关重要。
在流行的材料表征方法中，基于谐振器的技术由于其简单的表征过程而引起了广泛的关注，人们可以通过简单地测量传感器的谐振频率和质量因子（Q因子）来确定被测试样品的特性。平面谐振法设计简单、制造成本低、易于小型化和实时监测能力受到人们的喜爱。在这种方法中，测试样品通过某种方式引入到传感器中，从而改变了地平面和谐振器之间的总介电常数，从而引起场线的微扰。这最终改变了传感器的谐振频率，并且可以从其空载状态观察到谐振频率的偏移，通过谐振频率的变化得到待测物的介电常数值。
近几年来，大量研究表明SRR和CSRR能表现出较强的电场，当被测液体放在电场较强的区域进行表征时，传感器的谐振频率和质量因数能够随着被测液体的介电常数变化而变化，从而为被测液体的介电常数的测量提供了可靠的依据。Ebrahimi等提出了一种采用超材料的微波微流控传感器，利用微带耦合互补裂环谐振器的优势，用于估计液体样品的介电特性，但传感器的尺寸较大，需要与其他设备集成。另外在微流体传感器中，所需液体体积的多少也是衡量微流体传感器性能的一个重要的指标，所需的液体的体积越少，所呈现出的灵敏度越高，该传感器的性能就越强，但是在以往的微流体传感器中，所需的体积较多，容易造成环境的污染以及溶液不必要的浪费。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供测量液体介电常数的传感器及测量乙醇浓度的方法，目的在于减少溶液的浪费并提高灵敏度。
测量液体介电常数的传感器，包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板顶面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板底面的中部，所述CSRR结构包括相互对称的两个线性凹槽，线性凹槽围成口字形结构，线性凹槽一侧的中间位置设有缺口，线性凹槽位于缺口处的两个端头向口字形结构的内部延伸并形成并列结构，从而封闭缺口处的电场；线性凹槽的相对侧向口字形结构内连续凸出设置有U形结构并形成测试区，两个线性凹槽内的测试区并列设置且根据阻抗匹配相互靠近，两个线性凹槽内的缺口均与微带线上下对应；样品容器为顶面挖有微流体通道的PDMS板，PDMS板层叠设置介质基板的底面下，微流体通道的两端端头作为其进出液口分别位于PDMS板的两端端头处，微流体通道的中部为S形折弯结构，S形折弯结构与两个线性凹槽内并列的测试区上下对应。
进一步为：两个线性凹槽的测试区之间间隙为f=0.5mm，线性凹槽的宽度为d=0.5mm，缺口和U形结构之间的间隙均为g=0.3mm~0.8mm，U形结构向口字形结构内凸出的高度为e=0.8mm~2mm，线性凹槽的端头向口字形结构内延伸的长度a=1mm~2mm，线性凹槽的端头与其所在侧边的相邻侧边之间的距离b=4.5mm；微带线的线宽W0=1.1mm，线长L0=30mm，阻抗为50Ω，使端口获得良好的阻抗匹配。
进一步为：微流体通道的宽度W1=1mm，微流体通道的深度h2=0.4mm，所述样品容器的介电常数为2.8，介质基板FR4的介电常数为4.4。
进一步为：在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。
进一步为：所述介质基板为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层，所述微带线位于所述FR4基板上，所述CSRR结构刻蚀在所述覆铜层上。
进一步为：微流体通道的一端端部围绕在S形折弯结构左侧和后侧，微流体通道的另一端端部围绕在S形折弯结构右侧和前侧，微流体通道的两端端部分别靠近两个线性凹槽内缺口所在的侧边，从而提高测试精度。
用于测量不同浓度的乙醇液体的方法，基于所述的测量液体介电常数的传感器，测试方法包括以下步骤：向微流体通道的一端端口内注入待测液体，并使待测液体的液面与微流体通道的槽口齐平，进行采样记录；矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频率，然后根据介电常数与谐振频率的经验关系式，获得测液体的介电常数值，并根据介电常数值和相应浓度乙醇液体的对应关系确认待测液体的乙醇浓度，其中ε＇为介电常数，f 为谐振频率。
本发明的有益效果：通过将两个线性凹槽内的测试区通过阻抗匹配并列设置，从而使得线性凹槽的电场被聚集在测试区，减少了CSRR结构的电场损失，提高了测试区的电场强度和测试灵敏度；将线性凹槽的两端端部向其内弯折并形成并列结构，从而防止其内的电场外泄，进一步提高了CSRR结构的电场聚集度；通过S形折弯结构的微流体通道盛装液体，减少了测试液体用量，同时将微流体通道的两端端头设置在介质基板的两侧，方便加注和更换测试液体，同时S形折弯结构与两个线性凹槽内的测试区上下照应，保证液体测试的高灵敏度。
附图说明
图1为本发明中介质基板、微带线和CSRR结构的位置关系透视图；
图2为CSRR结构的结构图；
图3为CSRR结构的尺寸标识图；
图4为介质基板的仰视图；
图5为介质基板的俯视图；
图6为样品容器的结构示意图；
图7为样品容器的尺寸标识图；
图8为样品容器的尺寸标识图；
图9为检测待测液体时介质基板和样品容器配合的关系图；
图10为本发明传感器空载时的谐振频率图；
图11为发明传感器加载挖有微流体通道的PDMS样品容器时和传感器空载谐振频率对比图；
图12为本发明加载液体介电损耗角正切 tan 值为 0-0.1时的谐振频率图；
图13为本发明加载不同浓度待测液体时的谐振频率图；
图14为本发明加载材料的介电常数与传感器谐振频率的拟合曲线图；
图15为e=0.6mm，f=0.5mm时CSRR结构的电场强度分布图；
图16为e=1mm，f=0.5mm时CSRR结构的电场强度分布图；
图17为e=1.8mm，f=0.5mm时CSRR结构的电场强度分布图；
图18为e=2.2mm，f=0.5mm时CSRR结构的电场强度分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实施例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
参照图1-5所示，本发明提供了测量液体介电常数的传感器，包括FR4基板5，FR4基板5的正面设置有微带线2，FR4基板5的底面为覆铜层1，互补对称开口谐振环4刻蚀在背部的覆铜层1上形成电场，互补对称开口谐振环4下方设置为谐振区域，谐振区域用来放置盛放乙醇液体的挖有微流体通道31的PDMS样品容器。在背部的覆铜层1上刻蚀带有CSRR结构作为传感元件，其微流体通道31被设计为覆盖整个CSRR结构的分流支路，明显增加了围绕电场的路径，改善了目前微流体传感器灵敏度较低且质量因子Q值较低的情况，明显提高了灵敏度，同时具有较高的Q值，当不同介电常数的乙醇液体通过微流体通道加载到测量区域时，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，通过建立乙醇液体介电常数与谐振频点的经验关系式，就能得到待测乙醇液体的介电常数值，该测量方法灵敏度高，测试方法简单快速，具有较高的应用前景。
进一步优化方案，如图2所示，互补对称开口谐振环4包括相互对称的两个线性凹槽，线性凹槽围成口字形结构，线性凹槽一侧的中间位置设有缺口401，线性凹槽位于缺口401处的两个端头向口字形结构的内部延伸并形成并列结构，从而封闭缺口401处的电场；线性凹槽的相对侧向口字形结构内连续凸出设置有U形结构并形成测试区4011，两个线性凹槽内的测试区4011并列设置且根据阻抗匹配相互靠近，两个线性凹槽内的缺口401均与微带线2上下对应。如图6至图8所示，样品容器3为顶面挖有微流体通道31的PDMS板，PDMS板层叠设置介质基板的底面下，PDMS板的两端分别从介质基板下方延伸出，微流体通道31的两端端头作为其进出液口分别位于PDMS板的两端端头处，微流体通道31的中部为S形折弯结构，S形折弯结构与两个线性凹槽内的测试区域4011上下对应，微流体通道31的一端端部围绕在S形折弯结构左侧和后侧，微流体通道31的另一端端部围绕在S形折弯结构右侧和前侧，结合图9所示，S形折弯结构与两个线性凹槽内并列的测试区4011域上下对应，即S形折弯结构和并列的测试区4011的边界上下相互对齐，微流体通道的两端端部分别与两个线性凹槽内缺口所在的侧边上下对齐，从而提高测试精度。同时，两个线性凹槽的弯曲结构使测量区域的电场强度更加集中，提高了传感器的测量效果以及测量的灵敏度。
进一步优化方案，如图4和图5所示，所述介质基板为复合板且包括FR4基板5与固定连接在所述FR4基板5正面的微带线2，互补对称开口谐振环4开设在所述覆铜层1上。覆铜层1刻蚀互补对称开口谐振环4。FR4基板5是由环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料，被广泛应用于微波器件设计中。微带线2印刷在FR4基板5正上方的中间位置，互补对称开口谐振环4蚀刻于FR4基板背部的覆铜层1正中间位置。所述微带线2的两端分别连接有 SMA 连接头6，所述SMA连接头6用于连接矢量网络分析仪，在矢量网络分析仪上可以获取传感器的S21（dB）参数以及谐振频率值。
如图3、图4和图5所示，两个线性凹槽的测试区之间间隙为f=0.5mm，线性凹槽的宽度为d=0.5mm，缺口401和U形结构之间的间隙均为g=0.3mm~0.8mm，U形结构向口字形结构内凸出的高度为e=0.8mm~2mm，线性凹槽的端头向口字形结构内延伸的长度a=1mm~2mm，线性凹槽的端头与其所在侧边的相邻侧边之间的距离b=4.5mm；复合板的厚度为0.635mm，复合板的顶面沿传输方向的侧边尺寸为 L=28 mm ~34mm，所述FR4基板5的顶面与传输方向相垂直的侧边尺寸为 W=28 mm ~32mm。微带线2的线宽W0=1.1mm，线长L0=30mm，阻抗为50Ω，使端口获得良好的阻抗匹配。为了提高矢量网络分析所呈现的传输曲线的质量因子以及谐振频率频偏的灵敏度，其中，如图15至图18所示，必须保证e的取值范围为0.8mm~2mm以及f为0.5mm，从而才能尽可能增强底层金属薄片CSRR结构弯曲区域的电场。设计互补对称开口谐振环的特殊形状以实现强电磁耦合，互补对称开口谐振环的弯曲结构实现最大的边缘电场效应，使得该区域电场强度得到增强，更好的实现测量液体溶液的介电常数。特殊形状使得所提出的微波传感器具有新的元件几何形状、紧凑的尺寸、高灵敏度和精确的复杂相对介电常数测量结果。
如图7和图8所示，微流体通道31的宽度W1=1mm，微流体通道31的深度h2=0.4mm，所述样品容器3的介电常数为2.8，介质基板FR4的介电常数为4.4。所述微流体通道31进水口和出水口的高度h3=0.6mm，半径R1=0.6mm。如图9所示，挖有微流体通道31的PDMS样品容器使待测液体刚好能覆盖在电场最强位置上。
用于测量不同浓度的乙醇液体的方法，刻蚀在背部金属铜面的CSRR区域放有挖有微流体通道31的PDMS样品容器3，使待测的乙醇液体处于强电磁场下。
如图10可知，传感器在未加载样品容器时的谐振频率为2.87GHz。
如图11可知，传感器在加载样品容器时的谐振频率为2.62GHz，位移量为370MHz。
如图12可知，当所加载液体的介电常数值相同而介电损耗角正切值 tan 从 0-0.1 进行变化时，传感器的谐振频率保持不变，但传感器的S21随着 tan值的增大而不断增大。
如图13可知，传感器加载不同浓度乙醇液体时的谐振频率图，所对应的谐振频率值从 2.42GHz 变化为 2.05GHz，总位移量为370MHz，可以看出传感器加载不同介电常数值乙醇液体时具有很高的灵敏度。
如图14可知，乙醇液体介电常数与传感器谐振频率的关系拟合曲线图，通过将材料的介电常数值与所对应的谐振频率进行数据拟合，得到了介电常数与传感器谐振频率的经验关系式：，其中,ε＇为介电常数，f 为谐振频率。基于可求出未知液体的介电常数值，并根据介电常数值和相应浓度乙醇液体的对应关系，从而实现不同浓度乙醇液体的快速鉴别。
本发明提供了用于测量乙醇液体介电常数的CSRR微流控微波传感器，在背部金属铜面上刻蚀带有CSRR结构作为传感元件有效地提测量区域的电场强度。当不同的浓度的乙醇液体被放置在挖有微流体通道的PDMS样品容器时，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，通过建立乙醇液体介电常数与谐振频点的经验关系式，就能得到待测乙醇液体的介电常数值。该测量方法灵敏度高，测试方法简单快速，消耗液体较少。
与现有技术中相比，本发明中CSRR结构的电场强度更高，介质基板上不需要增加其它防止电场损失的物理结构，同时检测面更广，检测的灵敏度更高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.测量液体介电常数的传感器，包括介质基板、微带线、CSRR结构和样品容器，所述微带线为直线结构且横跨设置在所述介质基板顶面的中部，所述CSRR结构设置在所述介质基板底面的中部，其特征在于：所述CSRR结构包括相互对称的两个线性凹槽，线性凹槽围成口字形结构，线性凹槽一侧的中间位置设有缺口，线性凹槽位于缺口处的两个端头向口字形结构的内部延伸并形成并列结构，从而封闭缺口处的电场；线性凹槽的相对侧向口字形结构内连续凸出设置有U形结构并形成测试区，两个线性凹槽内的测试区并列设置且根据阻抗匹配相互靠近，两个线性凹槽内的缺口均与微带线上下对应；样品容器为顶面挖有微流体通道的PDMS板，PDMS板层叠设置介质基板的底面下，微流体通道的两端端头作为其进出液口分别位于PDMS板的两端端头处，微流体通道的中部为S形折弯结构，S形折弯结构与两个线性凹槽内并列的测试区上下对应；两个线性凹槽的测试区之间间隙为f=0.5mm，线性凹槽的宽度为d=0.5mm，缺口和U形结构之间的间隙均为g=0.3mm~0.8mm，U形结构向口字形结构内凸出的高度为e=0.8mm~2mm，线性凹槽的端头向口字形结构内延伸的长度a=1mm~2mm，线性凹槽的端头与其所在侧边的相邻侧边之间的距离b=4.5mm；微带线的线宽W0=1.1mm，线长L0=30mm，阻抗为50Ω，使端口获得良好的阻抗匹配；微流体通道的一端端部围绕在S形折弯结构左侧和后侧，微流体通道的另一端端部围绕在S形折弯结构右侧和前侧，微流体通道的两端端部分别靠近两个线性凹槽内缺口所在的侧边，从而提高测试精度；
向微流体通道的一端端口内注入待测液体，并使待测液体的液面与微流体通道的槽口齐平，进行采样记录；矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频率，然后根据介电常数与谐振频率的经验关系式ε´=357.30753*f2-1778.74371*f+2221.43686，获得测液体的介电常数值，并根据介电常数值和相应浓度乙醇液体的对应关系确认待测液体的乙醇浓度，其中ε＇为介电常数，f 为谐振频率。
2.根据权利要求1所述的测量液体介电常数的传感器，其特征在于：微流体通道的宽度W1=1mm，微流体通道的深度h2=0.4mm，所述样品容器的介电常数为2.8，介质基板FR4的介电常数为4.4。
3.根据权利要求2所述的测量液体介电常数的传感器，其特征在于：在所述微带线的两端分别连接有SMA连接头，所述SMA连接头固定连接在所述介质基板上相应的侧边上，用于连接矢量网络分析仪。
4.根据权利要求2所述的测量液体介电常数的传感器，其特征在于：所述介质基板为复合板且包括相互贴合的FR4基板和覆铜层，所述微带线位于所述FR4基板上，所述CSRR结构刻蚀在所述覆铜层上。
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