一种基于聚合效应的片上近零传输型传感器及检测方法

1.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，是涉及一种基于聚合效应的片上近零传输型传感器。


背景技术：

2.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些年在微波测试领域得到科研工作者的喜爱。基于电磁超材料诸多奇异的电磁特性，诞生了许多新颖的介电特性的检测机理，比如基于谐振特性变化的检测以及近些年出现的类似于裂变特性的分频效应的检测方法等。这些新颖的检测方案的出现预示着电磁超材料的应用逐步被越来越多的研究者关注和探索。各种各样的改进型检测方案、双频、多频甚至宽带的检测方案不断涌现。同时在此基础上诸多提高灵敏度的技术手段也在不断被提出，常见的提高灵敏度的手段是通过增强微波与被测物之间的相互作用，进而达到微流体介电特性的高灵敏度检测。文献“ali l , wang c , adhikari k k , et al. high
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accuracy complex permittivity characterization of solid materials using parallel interdigital capacitor
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based planar microwave sensor[j]. ieee sensors journal, 2020, pp(99):page(s): 1
‑
8.”在开口谐振环的中间加载了多支节的交指电容，实现介电特性的检测，其灵敏度大大提高。
[0003]
鉴于电磁超材料的奇异特性，本发明独辟蹊径，在裂变效应的基础上即分频检测的技术的研究中获得启示，提出了基于聚合效应的新颖的检测方案。该方案完全不同于现有的技术，是一种全新的检测机理，且未见报道。该发明属于双端口网络，且呈现非常完美的对称状态，从而减小了器件的尺寸，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。除此之外，我们在传感器的测试区域加载了交指电容支节，进一步提高了测试灵敏度。


技术实现要素：

[0004]
针对现有的电磁超材料加载的微流体物质介电特性测量技术，依据其诸多奇异的电磁特性，独辟蹊径提出了基于聚合效应的全新的检测机理。本发明的目的是提供一种双支路的电磁超材料加载的高灵敏度检测方案，该方案基于频率聚变效应，该传感器可敏感感知微流体介电特性及其微小变化。
[0005]
本发明按以下技术方案实现：本发明公开了一种基于聚合效应的片上近零传输型传感器，包括功分器、合成器、开口谐振环ⅰ、开口谐振环ⅱ和两个支路；所述功分器通过两个支路与合成器相连；所述开口谐振环ⅰ和开口谐振环ⅱ分别加载在所述两个支路两侧，且两个开口谐振环通过耦合的方式与两个支路相连；所述开口谐振环ⅱ中的谐振环内加载了交指电容，用作测试区域使
用，在所述交指电容上设有微流通道，测试过程中，将被测流体通过微流通道的进口压进测试区域；所述开口谐振环ⅰ中的谐振环内加载了交指电容，用作参考区域使用，在所述开口谐振环ⅰ的谐振环内并联了可调电容器，当两个谐振器产生的两个谐振频率不同时，通过调整可调电容器的容值，使得两个谐振频率发生聚合为一个。
[0006]
具体的方案：所述功分器包括一个输入端口、t型结ⅰ、直角拐角ⅰ、直角拐角ⅱ和两个信号输出端口；所述输入端口与t型结ⅰ相连，所述t型结ⅰ又通过直角拐角ⅰ、直角拐角ⅱ与两个信号输出端口相连，两个信号输出端口又分别通过直角拐角ⅲ、直角拐角ⅳ与两个支路相连；所述合成器包括两个信号输入端口、t型结ⅱ、直角拐角ⅰ、直角拐角ⅱ和一个输出端口；所述两个信号输入端口分别通过直角拐角ⅰ、直角拐角ⅱ与t型结ⅱ相连，t型结ⅱ又与输出端口相连，两个信号输入端口又分别通过直角拐角ⅲ、直角拐角ⅳ与两个支路相连。
[0007]
具体的方案：所述功分器的两个信号输出端口之间加载了隔离电阻；所述合成器的两个信号输入端口之间加载了隔离电阻。
[0008]
具体的方案：所述直角拐角ⅰ和直角拐角ⅱ的长度为四分之一波长，阻抗为70.7欧姆；所述功分器的信号输出端口和合成器的信号输入端口的阻抗为50欧姆。
[0009]
具体的方案：所述开口谐振环ⅰ和开口谐振环ⅱ的谐振环均由四个直角拐角a、直角拐角b、直角拐角c和直角拐角d依次相连接构成。
[0010]
具体的方案：所述直角拐弯b的两端分别与直角拐弯a和直角拐弯c的一端相连，直角拐弯c的两端分别与直角拐弯b和直角拐弯d的一端相连；直角拐弯a和直角拐弯d的另一端不相连，中间间隔一个开口。
[0011]
具体的方案：所述微流通道由聚二甲基硅氧烷制作，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。
[0012]
具体的方案：所述功分器、合成器、开口谐振环ⅰ、开口谐振环ⅱ和两个支路被刻饰在一个介电常数为3.38、上下铜厚为17um的介质板上；所述微流通道的厚度为3mm，宽度和长度分别为2.5mm和2.5mm，用于盛放被测物的体积为90纳升。
[0013]
本发明还公开了一种基于上述的片上近零传输型传感器的检测方法，该检测方法如下：测试过程中，将被测流体通过微流通道的进口压进测试区域；空载时，传感器有一个谐振频率，并记下此时可调电容器的容值；负载时，传感器会有两个谐振频率，此时应调整可调电容器的容值使两个谐振频率聚合为一个，并记下此时可调电容器的容值；所记下的两次可调电容器容值的差为被测物引起的测试区域分布电容的变化值，该值与被测物的介电特性密切相关。
[0014]
具体的方案：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，并间隔预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洗，干燥后再测试另一个样品。
[0015]
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：本发明提供的基于聚合效应的微流体介电特性及其微小变化的检测，其测试原理尚属首次提出，其设计的传感器从未被报导过。且通过加载交指电容，合理设计微流通道，所需的被测流体体积为纳升量级，本发明提供的传感器可用于细胞学、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，且只要配合高精度的可调电容器，该传感
器可获得很高的敏度，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
[0016]
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。
[0017]
在附图中：图1 为本发明的基于聚合效应的片上近零传输型传感器结构示意图；图2 为本发明的基于聚合效应的片上近零传输型传感器核心部件示意图（a为谐振器ⅰ，b为谐振器ⅱ）；图3 为本发明在加载微流体前的传输参数；图4为本发明仅测试区域加载某样品时的传输参数示意图；图5 为调整可调电容器后负载下两个谐振频率聚合为一个频率的示意图；图6为频率聚合效果图。
[0018]
附图标识：1
‑
介质层，2
‑ꢀ
t型结ⅱ，3
‑
输入端口，4
‑
输出端口，5
‑
t型结ⅰ，6
‑
信号输出端口，7
‑
隔离电阻，8
‑
支路，9
‑
谐振环，10
‑
开口，11
‑
交指电容，12
‑
可调电容器，13
‑
微流通道，14
‑
直角拐角ⅰ，15
‑
直角拐角ⅱ，16
‑
直角拐角ⅲ，17
‑
直角拐角ⅳ，18
‑
功分器，19
‑
合成器，20
‑
信号输入端口；21
‑
直角拐角a，22
‑
直角拐角b，23
‑
直角拐角c，24
‑
直角拐角d。
[0019]
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
[0020]
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。
[0021]
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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0022]
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。
[0023]
如图1所示，一种基于聚合效应的片上近零传输型传感器，包括功分器18、合成器19、开口谐振环ⅰ、开口谐振环ⅱ和两个支路8；功分器18通过两个支路8与合成器19相连；开口谐振环ⅰ和开口谐振环ⅱ分别加载在两个支路8两侧，且两个开口谐振环通过耦合的方式
与两个支路8相连；开口谐振环ⅱ中的谐振环内9加载了交指电容11，用作测试区域使用，在交指电容11上设有微流通道13，测试过程中，将被测流体通过微流通道13的进口压进测试区域；开口谐振环ⅰ中的谐振环9内加载了交指电容11，用作参考区域使用，在开口谐振环ⅰ的谐振环11内并联了可调电容器12，当两个谐振器产生的两个谐振频率不同时，通过调整可调电容器12的容值，使得两个谐振频率发生聚合为一个。
[0024]
交指电容加载的开口谐振环ⅰ、开口谐振环ⅱ分别被称作测参考区域和测试区域。测试过程中，将被测流体通过微流通道13的进口压进测试区域。空载时适度调制可调电容器12的容值，使得传感器获得一个谐振频率。当被测物加载在测试区域时，会获得两个谐振频率，这时手动调整可调电容器12的容值进而获得了被测物引起的测试区域电容的变化值，手动调整过程要使负载情况下的两个谐振频率聚合为一个方为调整适当。
[0025]
通过该设计方案，片上近零传输型传感器可实现微流体介电特性及其微小变化的检测，当测试区域放上不同的被测样品时，可获得不同的可调电容器的容值。在设计传感器的过程中，可调电容器应有足够的精度，以提高测试灵敏度。
[0026]
本发明工作原理是空载时，传感器有一个谐振频率，并记下此时可调电容器12的容值；负载时传感器会有两个谐振频率，此时应调整可调电容器12的容值使两个谐振频率聚合为一个，并记下此时可调电容器12的容值；所记下的两次电容器容值的差为被测物引起的测试区域分布电容的变化值，该值与被测物的介电特性密切相关。本发明正是利用了微波的上述传输原理，设计出了基于聚合效应的片上近零传输型传感器，测试区域的微流通道使电磁波与被测物相互影响，因此该传感器的检测灵敏度可大大提高。
[0027]
继续参照图1所示，功分器18包括一个输入端口3、t型结ⅰ5、直角拐角ⅰ14、直角拐角ⅱ15和两个信号输出端口6；输入端口3与t型结ⅰ5相连，t型结ⅰ5又通过直角拐角ⅰ14、直角拐角ⅱ15与两个信号输出端口6相连，两个信号输出端口6又分别通过直角拐角ⅲ16、直角拐角ⅳ17与两个支路8相连；合成器19包括两个信号输入端口20、t型结ⅱ2、直角拐角ⅰ14、直角拐角ⅱ15和一个输出端口4；两个信号输入端口20分别通过直角拐角ⅰ14、直角拐角ⅱ15与t型结ⅱ2相连，t型结ⅱ2又与输出端口4相连，两个信号输入端口20又分别通过直角拐角ⅲ16、直角拐角ⅳ17与两个支路8相连。
[0028]
需要说明的是，信号从输入端口3输入时，首先通过功分器18的t型结ⅰ5，然后到达功分器18的两个信号输出端口6，因此一路输入信号被等分成两路信号并经两条支路8到达合成器19的两个信号输入端口20，然后通过该合成器19的t型结ⅱ2并到达传感器的输出端口4并输出。
[0029]
继续参照图1所示，功分器18的两个信号输出端口6之间加载了隔离电阻7；合成器19的两个信号输入端口20之间加载了隔离电阻7。
[0030]
需要说明的是，隔离电阻7的阻抗为100欧姆。直角拐角ⅰ14和直角拐角ⅱ15的长度为四分之一波长，阻抗为70.7欧姆；功分器18的信号输出端口6和合成器19的信号输入端口20的阻抗为50欧姆。
[0031]
如图2所示，开口谐振环ⅰ和开口谐振环ⅱ的谐振环9均由四个直角拐角a21、直角拐角b22、直角拐角c23和直角拐角d14依次相连接构成。
[0032]
具体的方案：直角拐弯b22的两端分别与直角拐弯a21和直角拐弯c23的一端相连，直角拐弯c23的两端分别与直角拐弯b22和直角拐弯d24的一端相连；直角拐弯a21和直角拐
弯d24的另一端不相连，中间间隔一个开口10。
[0033]
需要说明的是，微流通道13由聚二甲基硅氧烷制作，微流通道13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。
[0034]
如图3所示，根据所述的传感器的结构，采用有限元算法对其进行计算，适当调整各个部分的尺寸可在2.45ghz下获得一个传输零点。
[0035]
功分器18、合成器19、开口谐振环ⅰ、开口谐振环ⅱ和两个支路被刻饰在一个介电常数为3.38、上下铜厚为17um的介质板上，其尺寸为22.38mm*18.67mm*0.813mm；可调电容器12为高精度集总元件；微流通道13的厚度为3mm，宽度和长度分别为2.5mm和2.5mm，用于盛放被测物的体积为90纳升。测试时传感器的输入端口3与输出端口4（如图1所示）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13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13清洗，干燥后再测试另一个样品。
[0036]
如图4所示，当测试区域加载被测物后，首先产生了两个传输零点，其中一个传输零点与空载时重复，另一个向比其低的频段偏移，两个传输零点之间频率的差异反映了被测物介电特性的大小。
[0037]
如图5所示，调整可调电容器的容值，使图4所示的两个谐振频率发生聚合，此时电容器的容值反映了被测物介电特性的情况。图6给出了传感器在测试被测物介电特性情况时发生的谐振频率变化情况，包括两个谐振频率的产生，聚合状态，通过观察负载状况下频率的聚合状态，可获得被测物引起的测试区域电容的改变量，为后续提取被测物的介电特性提供测试数据。
[0038]
本发明是通过分析所述传感器的微波传输机理提出的新颖的微流体介电特性及其微小变化的检测方案，该方案属于原创、首创，尚未被报道过。其基本检测机理是，空载时，由于两个开口谐振环处于相同的状态（此时可调电容器的容值为0，对所在的开口谐振环没有任何作用），因此只会有一个传输零点如图3所示；当测试区域加载被测物后，两个谐振器处于不同的状态，因此会先产生两个谐振频率（即两个传输零点）如图4所示，其中一个是含可调电容器的开口谐振环产生的，这个谐振频率与空载时谐振频率相同（2.45ghz）,另一个是由于负载下的开口谐振环产生的，这个谐振频率一定与空载时不一样；面对产生的两个谐振频率，我们需要调整可调电容器的容值，使得两个谐振频率发生聚合如图5和6所示；所述的调整的电容器的容值反映了被测物介电特性的情况，如图6所示。本发明正是基于上述检测机理，提出了新颖的检测方法及器件。
[0039]
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。
[0040]
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技术所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
[0041]
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。