用于液体复介电常数测量的微波传感器及其设计方法

本发明涉及微波射频传感领域，具体涉及一种用于液体复介电常数测量的微波传感器及其设计方法。

背景技术：

1、微波传感器测量技术具有非侵入性、高灵敏度、高测量精度、制造与测量成本低等优点，在机械位移表征，旋转角度表征，复介电常数表征等领域的广泛应用具有很大的潜力。比如用于液体复介电常数测量的平面微流控传感器，其测量原理为当将不同复介电常数的待测液体加入到与谐振器上方的流体通道中时，待测液体会改变谐振器本身的介电性质，使得谐振频率与谐振深度发生变化，通过提取出谐振器谐振参数变化，就可以反向表征出待测液体的复介电常数。

2、目前，以阶梯阻抗谐振器(stepped impedance resonator，sir)结构、互补式开口环谐振器(complementary spit ring resonator，csrr)结构为基础设计平面微流控传感器成为近年的热门课题。而平面式传感器结构稳定相较于其他种类微波测量传感器，有易于制作，易于集成到射频芯片上的优点。另外，由于微波微流控传感器不需要标记协议或生物标记，这使得研究液体化学品或生物液体不再需要耗费大量的试剂，溶液以及时间，这大大降低了液体参数提取的成本。

3、然而，目前开发的大多数微波传感器使用了csrr结构和sir结构。其中，sir结构的电场分布并不集中，因此每次测量都需要较多的液体样品，因此很难在实际中做到无创测量。而csrr结构虽然电场比较集中，但在传输中采用了耦合的形式，这会对灵敏度有所影响。而在实际应用中，对于测量的灵敏度要求较高，因为化学和生物本身对液体浓度的精度要求极高。另外，传感器的非侵入性也是非常重要的指标。在测量时损失过多的被测液体对于工业无疑是一种极大的浪费。

4、因此，针对目前技术中存在的缺陷，有必要进行研究，来实现一种非侵入性，灵敏度高，制作与测量成本低的优质微波传感器，使其能够在实际应用中产生价值。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种用于液体复介电常数测量的微波传感器及其设计方法，在开放式裂环谐振器(split ring resonator，srr)的基础上，提出了改进srr结构，实现微流控无创测量传感器。

2、为了解决现有的技术困难，本发明的技术方案如下：

3、一种用于液体复介电常数测量的微波传感器，至少包括介质板、设置在该介质板上层的谐振器、与该谐振器电气连接的信号输入微带线和信号输出微带线以及设置该谐振器上的pdms流体通道，其中，信号输入微带线设置端口1，用于输入测量信号；谐振器用于根据输入信号产生谐振信号，其中，采用改进srr结构作为传感区域以提供基础的谐振信号，该谐振信号在不同介电常数的液体的扰动下具有相应的谐振频率与谐振深度；pdms流体通道用于稳定地向传感区域注入不同介电常数的待测液体；信号输出微带线设置端口2，用于输出谐振信号，通过该谐振信号获取待测液体产生的谐振频率和谐振深度并以此获取待测液体的复介电常数。

4、作为进一步的改进方案，所述改进srr结构至少包括电容极板、交指电容、开放式外环以及开放式内环，其中，开放式外环一边具有缝隙，缝隙处设置相对的两块电容极板，分别与信号输入微带线和信号输出微带线直接电气连接，两块电容极板之间设置交指电容。

5、作为进一步的改进方案，所述pdms流体通道设置在交指电容正上方。

6、作为进一步的改进方案，所述pdms流体通道采用聚二甲基硅氧烷材料，结构为长方体，包括pdms胶体，流体通道空槽以及进出圆柱形注射口.

7、作为进一步的改进方案，介质板下层设置缺陷地结构，去除了改进srr结构正下方的金属以避免了改进srr结构与地平面产生电容。

8、作为进一步的改进方案，改进srr结构中开放式内环与开放式外环之间的距离大于0.5mm。

9、作为进一步的改进方案，缺陷地结构在地平面上挖去了正中央的长为10mm，宽为9mm的金属。

10、作为进一步的改进方案，制造的流体通道为弯曲折叠的长方体，其横截面积为0.15mm×0.2mm，流体通道的总长度为17mm。

11、作为进一步的改进方案，改进srr结构构成了一个谐振电路，其谐振频率取决于改进srr结构总体的电感与电容，具体表达式如下：

12、

13、当在流体通道中加入被测液体后，该谐振电路的总体谐振频率发生变化，其中，电容部分不再完全取决于改进srr结构本身的电容，而与被测液体的电容产生了相关性，具体表达式如下：

14、

15、其中，lp、cp分别表示改进srr结构的电感、电容；clut则模拟将被测液体添加到传感器时传感器电容的变化；

16、传感器灵敏度定义为：

17、

18、其中δfz是谐振频率的偏移，δε是加载在谐振器上的介电样品的介电常数的变化；当被测液体加载到流体通道中时，等效于向传感器添加一个额外的电容器clut；通过上述公式可以得到：

19、

20、其中δε和clut由被测液体的物理特性确定，fz和cp仅由传感器的物理特性确定；通过fz和cp是控制灵敏度；当fz和cp增加时，灵敏度也增加。

21、本发明还公开了一种用于液体复介电常数测量的微波传感器设计方法，至少包括以下步骤：

22、步骤s1：在介质板上层形成改进srr结构并去除改进srr结构正下方的金属，形成缺陷地结构；其中，所述改进srr结构至少包括电容极板、交指电容、开放式外环以及开放式内环，其中，开放式外环一边具有缝隙，缝隙处设置相对的两块电容极板，分别与信号输入微带线和信号输出微带线直接电气连接，两块电容极板之间设置交指电容；

23、步骤s2：在改进srr结构上键合pdms流体通道，用于引入与清空被测液体；

24、步骤s3：设计信号传输电路，包括信号输入微带线和信号输出微带线，其中，信号输入微带线与信号输出微带线直接与改进srr结构中电容极板连接，完成信号的接入与输出；

25、步骤s4：用注射器向pdms流体通道中注入被测液体，以改变改进srr结构的介电参数；

26、步骤s5：信号输入微带线输入信号，测量信号输出微带线的输出信号，其中，改进srr结构根据流经其上流体通道的被测流体产生s参数信号，s参数的谐振频率用于表征待测液体的介电常数实部，谐振深度用于表征待测液体的介电常数虚部，以此获得被测液体的复介电常数。

27、作为进一步的改进方案，改进srr结构作为传感区域，提供基础的谐振，并在不同介电常数的液体的扰动下改变其自身谐振频率与深度，所述pdms流体通道用于稳定地向传感区域注入不同介电常数的待测液体。通过不同待测液体产生的谐振频率和谐振深度获取传感信息以提取液体样品的复介电常数。

28、所述pdms流体通道包括pdms胶体，流体通道空槽以及进出圆柱形注射口；

29、所述信号输入微带线与信号输出微带线直接与改进srr结构相连接，用于接入信号和输出信号；

30、所述缺陷地结构在传统的地平面去除了改进srr结构正下方的金属，避免了改进srr结构与地平面产生电容，从而降低传感器的灵敏度。

31、作为进一步的改进方案，所述流体通道的材料采用聚二甲基硅氧烷，结构为长方体，由胶体，微流体通道与进出圆柱形空槽组成。

32、作为进一步的改进方案，改进srr结构的开放式内环与开放式外环之间的距离应大于0.5mm，避免产生电磁耦合。

33、作为进一步的改进方案，缺陷地结构在地平面上挖去了正中央的长为10mm，宽为9mm的金属从而避免了改进srr结构与地平面金属之间干扰电容的产生。

34、作为进一步的改进方案，改进srr结构被打印在介质板上层，且改进srr结构的外环加入了电容极板与交指电容结构，改进srr结构的内环采用传统的矩形结构，方面调整位置使得电场更加集中。

35、作为进一步的改进方案，信号输入微带线直接与改进srr结构的电容极板连接，其中，信号输入微带线的宽度应小于电容极板的宽度以保证信号的良好接入。

36、作为进一步的改进方案,改进srr结构构成了一个谐振电路，其谐振频率取决于改进srr结构总体的电感与电容，具体表达式如下：

37、

38、当在流体通道中加入被测液体后，该谐振电路的总体谐振频率发生了变化，主要在于电容部分不再完全取决于改进srr结构本身的电容，而与被测液体的电容也产生了相关性；具体表达式如下：

39、

40、其中，lp、cp分别表示改进srr结构的电感、电容；clut则模拟将被测液体添加到传感器时传感器电容的变化；

41、传感器灵敏度定义为：

42、

43、其中δfz是谐振频率的偏移，δε是加载在谐振器上的介电样品的介电常数的变化；当被测液体加载到流体通道中时，等效于向传感器添加一个额外的电容器clut；通过上述公式可以得到：

44、

45、其中δε和clut由被测液体的物理特性确定，fz和cp仅由传感器的物理特性确定；通过fz和cp是控制灵敏度；当fz和cp增加时，灵敏度也增加。

46、作为进一步的改进方案，流体通道可视为被弯折的长方体，其总长度为17mm，流体通道的高度为0.2mm，宽度为1mm。

47、作为优选的技术方案，信号输入微带线与改进srr结构的电容极板直接连接。

48、作为优选的技术方案，改进srr结构的开放式内环与开放式外环之间的距离应大于0.5mm，避免产生电磁耦合。

49、作为优选的技术方案，采用了缺陷地结构，将地平面正中间的长度为10mm，宽度为9mm的金属挖空，避免了和改进srr结构的耦合。

50、作为优选的技术方案，使用pdms制作微流体通道，因为这种材料具有电绝缘性，疏水性，并具有很高的抗剪切能力，加工也比较方便，是制作流体通道的最佳选择。制造的流体通道为弯曲折叠的长方体，其横截面积为0.15mm×0.2mm，流体通道的总长度约为17mm，能够最大范围地占据强电场强度的位置，使得反射特性的变化最大，同时不会浪费被测液体。

51、作为优选的技术方案，改进srr结构被打印在介质板上层，并且改进srr结构结构中加入电容极板和交指电容来增加传感器的电容，改进srr结构的内环采用了传统的矩形结构，方便优化得到最高的电场强度。

52、作为优选的技术方案，信号输入微带线直接与改进srr结构的电容极板连接，应选择合适的信号输入微带线宽度，使得谐振深度达到最大，以更好地表征待测液体的介电常数虚部。

53、作为优选的技术方案，改进srr结构构成了一个谐振电路。其谐振频率取决于改进srr结构总体的电感与电容，具体表达式如下：

54、

55、当在流体通道中加入被测液体后，该谐振电路的总体谐振频率发生了变化，主要在于电容部分不再完全取决于改进srr结构本身的电容，而与被测液体的电容也产生了相关性。具体表达式如下：

56、

57、其中，lp、cp分别表示改进srr结构的电感、电容。clut则模拟将被测液体添加到传感器时传感器电容的变化。

58、该传感器用于提取被测液体的介电常数，因此提高传感器的灵敏度非常重要。灵敏度定义为：

59、

60、其中δfz是谐振频率的偏移，δε是加载在谐振器上的介电样品的介电常数的变化。当被测液体加载到流体通道中时，等效于向传感器添加一个额外的电容器(此处仅讨论实介电常数)。通过上述公式可以得到：

61、

62、其中δε和clut由被测液体的物理特性确定。然而，fz和cp仅由传感器的物理特性确定。因此，在设计传感器时，fz和cp是控制灵敏度的关键。不难发现，当fz和cp增加时，灵敏度也增加。然而，在增加fz时，我们需要考虑测量难度和处理难度的提高。在提高cp时，有必要考虑低电场强度的srr外环部分电容对灵敏度的影响。因此，本设计通过各种考虑获得了合适的fz和cp值，对于测量灵敏度有一定的提升。

63、与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：

64、1、本发明采用srr结构来代替传统的微流体传感器中的csrr结构来实现3ghz的传感器空载谐振频率，将信号输入微带线直接连接改进srr结构的电容极板，大大减小的传感器尺寸，同时能增大改进srr结构本身的电容使得工作频率降低，有利于测量。使用缺陷地结构消除了改进srr结构与地平面金属的耦合电容，提升了灵敏度。交指电容能在尺寸不变的情况下增加电容，进一步减小了传感器的尺寸，并且使得测量消耗的待测液体量减少，是一种几乎无创的微流控传感器。

65、2、本发明能够应用在医用生物学方面，用于检测被测液体的介电常数，通过介电常数来反推出被测液体的浓度。本发明的灵敏度较之传统的发明具有较大的提升，且对被测液体的消耗极少，能够在实际应用中发挥良好作用。