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基于T型馈线激励互补开环 谐振器的 微波微流体 传感器

阅读：216发布：2020-05-12

专利汇可以提供基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，用于测量电解质溶液的复介电常数。包括微带线结构、金属薄片Ⅰ、介质层、金属薄片Ⅱ、刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域，该区域放置微流控芯片并在芯片内的注射电解质溶液，通过矢量网络分析仪测量传感器 S参数曲线。本发明具有高的横向灵敏度Q值，保证了测量的准确度。，下面是基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，该传感器为单端口器件，其特征在于包括微带线结构、金属薄片Ⅰ、介质层、金属薄片Ⅱ、刻槽金属CSRR结构；
所述金属薄片Ⅰ铺设在介质层上表面的其中一侧局部区域，剩余为空白区域；
所述微带线结构设置在介质层上表面的空白区域，包括位于介质层边缘的一个输入输出端口，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；
所述输入输出端口与微带线结构连接，所述微带线结构包括T型微带线Ⅰ和T型微带线Ⅱ，其中T型微带线Ⅰ由相互垂直的第一微带线与第二微带线构成，为一体成型结构；T型微带线Ⅱ由相互垂直的第三微带线与第四微带线构成，为一体成型结构；第一微带线的一端通过50欧姆电阻焊接至金属薄片Ⅰ，另一端与第二微带线的中点连接；第三微带线的一端作为输入输出端口，另一端与第四微带线的中点连接；第二微带线与第四微带线平行设置，且两者间留有空隙；第一微带线、第三微带线位于同一直线；
所述金属薄片Ⅱ与介质层形状相同，铺设在介质层的下表面，且刻蚀有一个刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构与微带线Ⅰ和微带线Ⅱ之间耦合；
所述刻槽金属CSRR为槽环结构，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角之间相接的槽沟区域电场强度最大，该区域放置微流控芯片，用于测量电解质溶液的复介电常数；
金属薄片Ⅰ开有若干周期排布的通孔，该通孔贯通金属薄片Ⅰ、介质层、金属薄片Ⅱ，通孔周壁被金属化，使所述金属薄片Ⅰ与底层的金属薄片Ⅱ连通。
2.如权利要求1所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述T型微带线Ⅰ与T型微带线Ⅱ的T型头部长度均为16mm，且相互对齐；两个T型头部相距7mm,并与底层的刻槽金属CSRR结构相耦合。
3.如权利要求1或2所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述T型微带线Ⅰ的第三微带线长度为1/4 波长的整数倍。
4.如权利要求3所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述T型微带线Ⅰ的第三微带线长度为26.5mm，且宽度设置为2.73mm。
5.如权利要求1-4任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述T型微带线Ⅱ和50欧姆电阻的总长度为12mm，T型微带线Ⅱ宽度设置为
2.73mm。
6.如权利要求1-5任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于微流通道位于槽沟的上方。
7.如权利要求1-6任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述微流控芯片由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成，该芯片为方形芯片，芯片内有微流通道，用于存放电解质溶液。
8.如权利要求1-7任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构的中心、第二微带线与第四微带线之间空隙的中心在平面位置上一致。
9.如权利要求1-8任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于第二微带线的两端与该刻槽金属CSRR结构x轴向外边沿距离p3为1.5mm；第二微带线与该刻槽金属CSRR结构y轴向外边沿最近距离p2为0.5mm。
10.如权利要求1-9任一所述的基于T型馈线激励互补开环谐振器的微波微流体传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构槽环尺寸设置为19mm×10mm，槽宽为1mm，槽环开口的宽度为0.5mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边。

说明书全文

基于T型馈线激励互补开环 谐振器的 微波微流体 传感器

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，涉及一种T型微带馈线激励传感器，特别涉及一种基于互补开环谐振器(complementary split-ring resonator—CSRR)的用于测量电解质溶液的复介电常数的微波微流体传感器。

背景技术

[0002] 电解质溶液复介电常数(εr＝ε′r(1-jtanδe),ε′r表示介电常数,tanδe表示损耗值)的准确测量对于生物电磁学和微波化学等领域都是至关重要。微波与电解质会发生相互作用，其中微波能量的吸收率与电解质的复介电常数有着密切关系。在工业上，了解各种电解质材料的复介电常数，可以进一步了解其材料对微波的吸收和反射情况，这对于如何提高微波能源的利用率等问题有着重要意义。

[0003] 随着微波技术在众多行业(如军事、医学、食品、化工及气象学等领域)中的快速发展，各种类型的射频微波器件被逐渐开发和应用，其中用于测量电解质材料复介电常数的微波传感器的研究一直受到学者的广泛关注。用来测量复介电常数的方法有很多，主要分为谐振法和非谐振法。谐振法中最典型的方法是谐振腔法，这种测量方法几乎不存在外界因素对测量的干扰，因此它是目前为止测量电解质材料复介电常数最为准确的一种方法。谐振腔法的设计思路是将固定尺寸的待测样本放入谐振腔内设定好的位置，然后根据谐振腔的S参数的变化和质量因子Q值的差异来反推出待测样本的复介电常数。在现有基于谐振原理的小型化微波传感器中，对电解质材料的复介电常数传感表征具有相同的特性，即它们都会降低谐振频率和质量因子。谐振频率的变化量决定了传感器横向灵敏度的大小，谐振频率变化量越大，横向灵敏度就越高；质量因子的大小以及变化量决定了传感器的纵向灵敏度，质量因子越高，变化量越大都会提高纵向灵敏度。然而，传感器性能的主要评价指标就在于其是否有足够高的灵敏度，现有的基于CSRR谐振器的用于测量电介质溶液复介电常数的微波微流体传感器的横向灵敏度都较低，并且随着电解质溶液介电常数的提高，质量因子在不断降低，导致电解质溶液的损耗的测量范围下降过快，纵向灵敏度一直降低。对此，一些国内外微波领域学者设计出了能有效提高横向灵敏度的微波微流体传感器。比如Amir Ebrahimi曾发表了一篇基于CSRR的期刊论文“High-Sensitivity Metamaterial-Inspired Sensor for Microfluidic Dielectric Characterization”，其横向灵敏度达到了5.0MHz，是目前基于CSRR传感器中横向灵敏度最高的；但是该传感器测量高介电常数的电解质溶液时，质量因子很小，(电解质溶液的介电常数为80时，其质量因子下降到30以下)，导致纵向灵敏度过低。本申请结构的设计主要提高横向灵敏度(4.75MHz)，抑制纵向灵敏度下降速度(电解质溶液的介电常数为80时，其质量因子仍高于70)同时小型化传感器提高实用性。

发明内容

[0004] 本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高Q值、测量范围广的微波微流体传感器。该传感器是在传统的互补开环谐振器和传输线结构基础上进行设计的。

[0005] 本发明按以下技术方案实现：

[0006] 一种微波微流体传感器，该传感器为单端口器件，包括微带线结构、金属薄片Ⅰ、介质层、金属薄片Ⅱ、刻槽金属CSRR结构；

[0007] 所述金属薄片Ⅰ铺设在介质层上表面的其中一侧局部区域，剩余为空白区域；

[0008] 所述微带线结构设置在介质层上表面的空白区域，包括位于介质层边缘的一个输入输出端口，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；

[0009] 所述输入输出端口与微带线结构连接，所述微带线结构包括T型微带线Ⅰ和T型微带线Ⅱ，其中T型微带线Ⅰ由相互垂直的第一微带线与第二微带线构成，为一体成型结构(为逆时针旋转90°的T形结构)；T型微带线Ⅱ由相互垂直的第三微带线与第四微带线构成，为一体成型结构(为顺时针旋转90°的T形结构)；第一微带线的一端通过50欧姆电阻焊接至金属薄片Ⅰ，另一端与第二微带线的中点连接；第三微带线的一端作为输入输出端口，另一端与第四微带线的中点连接；第二微带线与第四微带线平行设置，且两者间留有空隙；第一微带线、第三微带线位于同一直线；

[0010] 进一步地，所述T型微带线Ⅰ与T型微带线Ⅱ的T型头部(即第二微带线、第四微带线)长都为16mm且相互对齐，所述两个T型头部相距7mm,并与底层的刻槽金属CSRR结构相耦合；

[0011] 进一步地，所述T型微带线Ⅰ的第三微带线长度为1/4 波长的整数倍，设置为26.5mm，且宽度设置为2.73mm；

[0012] 进一步地，所述T型微带线Ⅱ和50欧姆电阻的总长度为12mm，T型微带线Ⅱ宽度设置为2.73mm；

[0013] 进一步地，所述介质层为方形PCB板；

[0014] 所述金属薄片Ⅱ与介质层形状相同，铺设在介质层的下表面，且刻蚀有一个刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构与微带线Ⅰ和微带线Ⅱ之间耦合。

[0015] 所述刻槽金属CSRR为槽环结构，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角之间相接的槽沟区域电场强度最大，该区域放置微流控芯片，用于测量电解质溶液的复介电常数；

[0016] 所述微流控芯片由低成本的聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成，该芯片为方形芯片，芯片内有微流通道，用于存放电解质溶液；微流通道位于槽沟的上方；

[0017] 所述刻槽金属CSRR结构的中心、第二微带线与第四微带线之间空隙的中心在平面位置上一致；

[0018] 第二微带线的两端与该刻槽金属CSRR结构x轴向外边沿距离为p3，优选为1.5mm；第二微带线与该刻槽金属CSRR结构y轴向外边沿最近距离为p2，优选为0.5mm；

[0019] 进一步地，所述刻槽金属CSRR结构槽环尺寸设置为19mm×10mm，槽宽为1mm，槽环开口的宽度为0.5mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边；

[0020] 进一步地，金属薄片Ⅰ开有若干周期排布(例如两列五排结构排布)的通孔，该通孔贯通金属薄片Ⅰ、介质层、金属薄片Ⅱ，通孔周壁被金属化，使所述金属薄片Ⅰ与底层的金属薄片Ⅱ连通；

[0021] 所述传感器的横向灵敏度决定了对电解质溶液介电常数的分辨率；质量因子Q值和纵向灵敏度决定了对电解质溶液损耗的分辨率；测量范围和小型化决定了传感器的实用性。

[0022] 本发明与现有技术相比，具有如下的突出实质性特点和显著技术进步：

[0023] 本发明与现有的基于CSRR谐振器的微波微流体传感器相比，采用了T型微带线耦合CSRR，有效提高了微带线与CSRR之间的耦合强度，使得电场紧紧束缚在CSRR槽环边缘并且与槽环开口相对的两个直角之间相接的槽沟区域电场强度达到最大。基于T型微带线的设计，该传感器克服了现有传感器横向灵敏度较低且纵向灵敏度下降速度过快的缺点，具有高的横向灵敏度和Q值，保证了测量的准确度。由于该传感器的刻槽金属CSRR结构的对强场的束缚很强，因此横向灵敏度很高，同时微带线Ⅰ和微带线Ⅱ与刻槽金属CSRR结构之间耦合提高了CSRR谐振时的阻抗匹配，不仅提高了质量因子而且缓解了测量高介电常数电解质溶液损耗时质量因子的降低，从而提高了纵向灵敏度。附图说明

[0024] 图1是本发明的结构示意图以及参数标注图：其中(a)传感器顶层示意图，(b)传感器底层示意图，(c)传感器平面示意图；

[0025] 图2是本发明的电场强度分布示意图；

[0026] 图3是本发明的微流控芯片结构示意图以及参数标注图；

[0027] 图4是本发明的三维层次布局结构示意图；

[0028] 图5是本发明的传感器上放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图；

[0029] 图6是本发明的传感器上放置微流控芯片后，传感器的反射系数与被注射到微流控芯片内电解质溶液的复介电常数关系示意图。

[0030] 其中，1.PCB板；2.金属薄片Ⅰ；3.通孔；4.微带线Ⅰ；5.SMA连接头；6.50Ω电阻；7.微带线Ⅱ；8.金属薄片Ⅱ；9.CSRR槽环；10.电场强度最大区域/敏感区域。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0032] 如图1所示是本发明的结构示意图，本发明的传感器包括顶层微带线结构、顶层金属薄片Ⅰ2、中间层PCB板1、底层金属薄片Ⅱ8被刻蚀的CSRR槽环9；顶层微带线结构包括两段微带线：微带线Ⅰ4和微带线Ⅱ7，第二微带线Ⅱ7的一端通过50欧姆电阻6焊接至金属薄片Ⅰ2上，另一端T型头部与第一微带线Ⅰ4的T型头部对齐；第一微带线Ⅰ4的另一端延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头5；微带线Ⅰ4和微带线Ⅱ7耦合底层的CSRR槽环9；

[0033] 如图2所示是本发明的电场强度分布示意图，刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽环设有一个开口，其中与槽环开口相对的两个直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域10，该区域对电解质溶液的复介电常数变化很敏感，因此在该区域放置微流控芯片用于测量电解质溶液的复介电常数；通过矢量网络分析仪(VNA)测量传感器S参数曲线。

[0034] 本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件AnsysHFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：

[0035] 参数 l1 l2 l3 d1 d2 d3 d4 d5数值(mm) 26.5 15.5 9.5 8.33 8.33 3 4.5 10.5
参数 r w p1 p2 p3 a b g
数值(mm) 0.5 2.73 1 0.5 1.5 19 10 0.5
参数 s
数值(mm) 1

[0036] 其中中间层PCB板的大小选取78×50×0.767mm3的高频板Rogers RO4350(介电常数3.66，磁导率1，电介质损耗0.004，磁导率损耗0)

[0037] 如图3所示是本发明的微流控芯片结构示意图，该芯片为由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工制作而成的方形芯片，芯片内设有微流通道以及液体流入流出口。测量电解质溶液复介电常数前，需将电解质溶液从液体流入口注射到微流通道内，测量完成后，需将电解质溶液从液体流出口排出；

[0038] 如图4所示是本发明的三维层次布局结构示意图，传感器上被放置了一个微流控芯片，微流控芯片用于测量使用，内部可注射电解质溶液。

[0039] 如图5是本发明的传感器上放置微流控芯片前与放置微流控芯片后的S参数示意图，传感器的反射参数表现为带阻特性，其中谐振频率为1.76GHz，Q值为220。

[0040] 如图6所示是本发明的传感器放置微流控芯片后，传感器的反射系数与被注射到微流控芯片内电解质溶液的复介电常数关系示意图，通过获取传感器反射系数中变化点相对参考点的变化量可推算出电解质溶液的复介电常数。当电解质溶液的介电常数从1增加到80，传感器的频率偏移量为380MHz，灵敏度为4.75MHz，大于普遍现有的基于CSRR谐振器的传感器的灵敏度；并且当电解质溶液的介电常数为80时，质量因子大于70，仍保持了较高的纵向灵敏度，具有极强的实用性。

[0041] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。

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