基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器及检测方法与流程

[0001]
本发明涉及一种微流体介电特性的微波检测装置，属于微波测量技术领域，更具体地说，是涉及一种基于“耳”字型谐振器的微流体介电特性的高灵敏度多频检测装置。


背景技术：

[0002]
随着微波技术的不断发展，尤其是基于传输线结构的电磁超介质的迅猛发展，为各种信息元件的新突破提供了新的契机，在各行各业引起了广泛的重视。电磁超介质所具有的亚波长谐振、负折射、完美透镜、能量汇聚及表面波抑制等特性使其于近7年在微波测试领域得到科研工作者的喜爱。在微波测试领域，随着被测物体积的减小，传感器的灵敏度成为关键设计参数之一，如对细胞悬浮液、粒子重组介质、dna大生物分子重组等组份检测时，传统的测试方案因为灵敏度而无法识别这些组份的微小变化。电磁超介质因具备诸多奇异的电磁特性而有望打破传统技术的分辨率，实现新的突破。而且电磁超介质的引入可以大大减小测试器件的尺寸，减少器件的相位噪声，使器件具备低剖面、小型化、加工方便、价格低廉及易与集成等优点，因此国内外科研工作者不断尝试将各种电磁超介质引入到微波测试领域。文献zarifi m h . sensitivity and selectivity enhancement in coupling ring resonator sensors using splitting resonant frequencies[j]. 2018:36-39.提出了一种耦合环形谐振器，可实现微样品介电特性的选择性识别，与传统平面谐振器器相比，灵敏度提高了100%，电磁超介质引入到微波测试领域后，的确获得了很好的应用， adhikari, kishor kumar, tian qiang, cong wang, ho kun sung, lei wang, and qun wu. high-sensitivity radio frequency noncontact sensing and accurate quantification of uric acid in temperature-variant aqueous solutions. applied physics express 11, no. 11 (2018): 117001.提出了双端口的耦合谐振器，实现了不同浓度尿酸的检测。现有的技术一般均为单频检测方案，而多频、宽带、小型化技术一直是微波测试领域内永恒的研究主题，因此提供高灵敏度的宽带、多频检测方案是探索微波与介质相互作用机理的重要手段之一。


技术实现要素：

[0003]
针对现有的微流体物质介电特性测量技术中存在的带宽窄、灵敏度低等的问题，本发明的目的是提供一种基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器，该传感器可敏感感知微流体介电特性及其微小变化。
[0004]
本发明按以下技术方案实现：一种基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器，包括两个
ꢀ“
耳”字型谐振器、两条连接线和一条馈线；所述馈线的两端分别为输入端口和输出端口；所述两个“耳”字型谐振器对称布置在馈线两侧，且分别通过连接一条连接线与馈线的中间部分相连；其中，在所述两个“耳”字型谐振器上设置有微流通道，用于承载检测及参考微流体；两个“耳”字型谐振器分别被称作测试区域和参考区域，测试过程中，将被测流体和参考流体通过微流通道的进
口压进测试区域和参考区域；当微波信号被馈入两个“耳”字型谐振器时，通过调节“耳”字型谐振器各段微带线的长度与宽带来调整传感器的谐振频率，从而在预定的频段内实现多个传输零点。
[0005]
进一步，所述“耳”字型谐振器为轴对称结构，其由一个微带线和与该微带线中心线对称布置的五个直角微带结构组成。
[0006]
进一步，所述“耳”字型谐振器包括一根第一微带线、两根第二微带线、两根第三微带线、两根第四微带线、两根第五微带线、两根第六微带线及两根第七微带线；所述第一微带线的两端分别与两个第二微带线的一端相连形成两个相同的第一个直角微带结构；两根第三微带线的两端分别与两根第二微带线的另一端和第四微带线的一端相连，形成两个相同的第二和第三直角微带结构；两根第六微带线的两端分别与两根第五微带线的一端和第七微带线的一端相连，形成两个相同的第四和第五直角微带结构。
[0007]
进一步，所述两根第四微带线的另一端和第五微带线的另一端分别与开口电容的两端相连，并形成了测试或者参考区域。
[0008]
进一步，所述两根第七微带线的末端开路。
[0009]
进一步，所述馈线的带条宽度由两端至中间部分变窄，且馈线两端口处阻抗为50欧姆。
[0010]
进一步，所述两个
ꢀ“
耳”字型谐振器、两条连接线和一条馈线均设置在介质层上，在介质层的边缘开有多个小孔，用以增强多频近零传输传感器的电磁兼容的性能。
[0011]
一种采用上述的基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器的检测方法，该检测方法为： 微流通道包含pdms层，在微流通道上设置了流体的进口和出口，其进口和出口采用聚四氟乙烯管制作，并与pdms相连；测试时传感器的输入端口与输出端口分别与矢量网络分析仪相连，同时将被测物采用推进器注入微流通道的进口，并间隔一定时间将该样品从出口推出去，然后用去离子水将微流通道清晰，干燥后再测试另一个样品。
[0012]
进一步，所述pdms的厚度为1.5mm,宽度和长度分别为2.5mm和3.0mm，因此该传感器所需要的被测物的体积约为11.5mm
3
。
[0013]
进一步，当参考物与被测物一样时，传感器的传输零点不会变化；当被测物与参考物不一样时，每个传输零点会发生变化，这种变化主要表现在，根据被测物与参考物介电特性的差异产生传输零点的裂变。
[0014]
本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下：本发明提供的基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器所需的被测流体体积为纳升量级，可用于细胞学、电磁场生物医学、微波化学非热效应及蛋白质热变性等领域的应用，且该传感器灵敏度高，频带多，检测方法简单，易于集成，具有与其他装置组合成微型分析系统的潜质，本发明提出的传感器为双端口测量，可避免多解问题，因而其流体介电特性微小变化的信息捕捉结果更加精确、更加可靠。
附图说明
[0015]
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。
[0016]
在附图中：图1为本发明的多频近零传输传感器结构示意图；图2 为本发明的“耳”字型谐振器结构示意图；图3 为本发明的pdms微流通道示意图；图4 为本发明的多频近零传输传感器在加载微流体前的传输参数；图5 为本发明的多频近零传输传感器仅测试区域加载某高损耗样品时的传输参数示意图。
[0017]
附图标识：1-地平面，2-介质层，3-输入端口，4-馈线，5
-“
耳”字型谐振器，6-连接线，7-第一微带线，8-第二微带线，9-第三微带线，10-第四微带线，11-第五微带线，12-第六微带线，13-第七微带线，14-小孔，15-开口电容，16-输出端口，121-测试区域，122-参考区域。
[0018]
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
[0019]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0020]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0021]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0022]
如图1所示，一种基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器，包括地平面1、介质层2、两个
ꢀ“
耳”字型谐振器5、两条连接线6和一条馈线4；馈线4的两端分别为输入端口3和输出端口16；两个“耳”字型谐振器5对称布置在馈线4两侧，且分别通过连接一条连接线6与馈线4的中间部分相连，馈线4的带条宽度由两端至中间部分变窄，且馈线4两端口处阻抗为50欧姆；在两个“耳”字型谐振器5上设置有微流通道，用于承载检测及参考微流体，该微流通道由聚二甲基硅氧烷（pdms）制作，微流通道设置有液体样品的进口和出口，进口和出口由聚四氟乙烯管制作；两个“耳”字型谐振器5分别被称作测试区121域和参考区域122，测试过程中，将被测流体和参考流体通过微流通道的进口压进测试区域121和参考区域122；当微波信号被馈入两个“耳”字型谐振器5时，通过调节“耳”字型谐振器5各段微带线的长度与宽带来调整传感器的谐振频率，从而在预定的频段内实现多个传输零点。
[0023]
通过上述设计方案提出的传感器可实现多个频段的谐振，当参考区域122和测试区域121放上同样的被测样品时，传感器的工作频段不变，当参考样品和测试样品不一样
时，传感器的谐振频段会发生变化，会产生新的谐振频段即频率裂变，谐振频率裂变的差值反映了被测样品与参考样品介电特性的差异。本发明正是利用了微波的上述传输原理，设计出了基于“耳”字型谐振器的微带型多频近零传输电路，设计的电路及测试区域和参考区域的微流通道使被测物充分影响电磁波的传输，因此该传感器的检测灵敏度可大大提高。
[0024]
通过有限元（fem）算法对该传感器进行了数值仿真，实验结果显示该传感器可在1ghz-6ghz的频带内实现四个频段的传输零点，分别是1.1 ghz，1.95 ghz，3.4 ghz和5.6 ghz，且能够敏感感知纳升量级的微流体引起的微弱信息。
[0025]
以下给出上述的“耳”字型谐振器的具体实施例：如图2所示，“耳”字型谐振器为轴对称结构，其由一个微带线和与该微带线中心线（及图中ab线）对称布置的五个直角微带结构组成。
[0026]
具体的方案如下：“耳”字型谐振器包括一根第一微带线7、两根第二微带线8、两根第三微带线9、两根第四微带线10、两根第五微带线11、两根第六微带线12及两根第七微带线13；第一微带线7的两端分别与两个第二微带线8的一端相连形成两个相同的第一个直角微带结构d1；两根第三微带线9的两端分别与两根第二微带线8的另一端和第四微带线10的一端相连，形成两个相同的第二直角微带结构d2和第三直角微带结构d3；两根第六微带线12的两端分别与两根第五微带线11的一端和第七微带线13的一端相连，形成两个相同的第四直角微带结构d4和第五直角微带结构d5。两根第四微带线10的另一端和第五微带线11的另一端分别与开口电容15的两端相连，并形成了测试区域121或者参考区域122。两根第七微带线13的末端开路。
[0027]
作为本发明的优化方案：在介质层2的边缘开有多个小孔14，用以增强多频近零传输传感器的电磁兼容的性能。
[0028]
当微波信号被馈入“耳”字型谐振器5时，只要谐振器各个部分尺寸设计合理，可以使谐振器在一定的频段内实现传输零点，当馈线4通过连接线6与一对“耳”字型谐振器5相连时，可以通过调节谐振器各段带条的长度与宽带调整所述传感器的谐振频率，从而在1ghz-6ghz的频段内实现四个传输零点，从这种意义上看，我们获得了一个多频近零传输射频传感器。
[0029]
如图3所示，为便于微流体介电特性的检测，在两个“耳”字型谐振器5的测试区域121和参考区域122支路设置了微流通道。微流通道包含pdms层，其厚度为1.5mm,宽度和长度分别为2.5mm和3.0mm，因此该传感器所需要的被测物的体积约为11.5mm
3
。同时在微流通道上设置了流体的进口和出口，其进口和出口采用低损耗的聚四氟乙烯管与pdms相连，测试时传感器的输入端口3与输出端口16分别与矢量网络分析仪相连，同时将被测物采用推进器注入微流通道的进口，并间隔一定时间将该样品从出口推出去，然后用去离子水将微流通道清晰，干燥后再测试另一个样品。
[0030]
本发明关于微流体介电特性及其微小变化检测的对象是微流体或者是被测流体的温度、浓度或内部结构的微小变化，检测原理是通过分析传感器加载被测对象前后两端口传输参数的相位变化情况。由于本发明提出的传感器在未加载被测物时采用“耳”字型谐振器有效地提高测试区域的信号，且通过加载电容支节的方式进一步提高了测试灵敏度，减小了被测物的体积，因此可敏感感知极微小样品引起的微弱信号。
[0031]
图4给出了多频近零传输传感器未加载被测物时传输参数情况，从图中可以看出，
本发明提出的多频近零传输传感器在1ghz到6ghz的范围产生了4个传输零点，分别是1.1 ghz，1.95 ghz，3.4 ghz和5.6 ghz其传输参数在整个频带内低于-30db。当参考物与被测物一样时，传感器的传输零点不会变化。当被测物与参考物不一样时，每个传输零点会发生变化，这种变化主要表现在，根据被测物与参考物介电特性的差异产生传输零点的裂变如图5所示，图5给出了仅在测试区域加载某高损耗样品（介电常数为15，损耗角正切为0.2）时，计算出的传输零点的裂变情况，即空载时的每个传输零点都裂变为两个，裂变频率的差异及传输参数幅度的差异分别反映了被测物与参考物之间介电特性实部与虚部的差异。
[0032]
综上，本发明提供的基于“耳”字型谐振器的多频近零传输传感器所需的被测流体体积为纳升量级，可用于细胞学、电磁场生物医学、微波化学非热效应及蛋白质热变性等领域的应用，且该传感器灵敏度高，频带宽，检测方法简单，易于集成，具有与其他装置组合成微型分析系统的潜质，本发明提出的传感器为双端口测量，可避免多解问题，因而其流体介电特性微小变化的信息捕捉结果更加精确、更加可靠。
[0033]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0034]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
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以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。