[发明专利]基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器

说明书

本发明公开了基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，为双端口器件；具有顶层、中间层及底层；顶层包括一条微带线、两个50欧姆的电阻元件及两个SMA连接头，微带线有两个缺口处，缺口处均由50欧姆电阻元件焊接，微带线具有一个输入端口与一个输出端口，输入端口与输出端口均与微带线连接，且输入端口与输出端口分别用于连接SMA连接头，SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；中间层是介质板；底层包括改进缺陷地结构，改进缺陷地结构包括螺旋线与DGS结构，螺旋线与DGS结构边缘之间有一个正方形环，在DGS结构中间有一个螺旋线结构，螺旋线结构上面置有一个内部形成有微流体通道的PDMS。该传感器灵敏度高、测量范围宽，检测误差小。

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体是基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器。

背景技术

近年来，微波传感器已在许多测量和表征平台中得到应用：例如机械位移和旋转传感器、医疗应用生物传感器、结构健康监测、固体介电特性和液体化学品的介电常数测量。微波传感器与其他同类产品例如光学或微系统（MEMs）设备相比的主要优势在于它们是无源的、成本低并且提供非侵入式检测。复介电常数作为一种重要的物理特性，描述了材料暴露于外部电磁场时的电气行为，可以通过微波技术检测获得。当传感区域里的样品的种类或者浓度发生变化时，其自身的介电常数随着发生改变，这影响了谐振电路中的电容电感值，最终体现在谐振频率和S参数的幅值的改变。基于谐振器的传感器具有许多优点，包括快速传感、鲁棒性和实时检测，且测量成本低。因此，研究越来越集中于开发基于微波谐振器的传感器，该传感器具有体积小、可靠性高、灵敏度高、检测限制低、响应速度快、适用于无侵入传感等特点。

有两种主要类型的传感器结构，谐振方法和非谐振方法。谐振方法依赖于样品带来的复介电常数扰动。因为扰动会引起谐振频率和品质（Q-factor）因子的变化，我们可以随意调整样品的位置来控制灵敏度，通常很容易实现高灵敏度，但我们只能在离散的谐振频率点上实现检测。在非共振场景中，传输和反射的变化揭示了样品在宽带上带来的变化，但样品和器件的制备是严格的，这意味着成本的增加。因此，大多数检测液体、气体和材料的微波传感器都是基于共振方法。已经提出了许多谐振结构来设计微波传感器。缺陷地（Defected ground structure-DGS）是设计传感器的常用途径之一，但是往往是被使用于实现滤波器等功能。其特点在于在金属地刻蚀缝隙形成电容电感并联结构，近似于一个谐振单元，其中将样品放置在最大电场区域以检测介电常数，并将样品放置在最大磁场区域以检测磁导率。特别是随着各种紧凑的结构的超材料的出现，其波长往往小于以往的结构，所有被更倾向于作为谐振单元使用。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的发明目的在于提供基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，该微波微流传感器结构简单、制造方便，同时灵敏度高、测量范围宽，通过测量常温下不同乙醇浓度溶液的介电常数来实现分辨乙醇体积分数，能够降低检测时产生误差的概率，保证检测结果，有利于上述微波微流传感器在微波技术领域的推广及应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案: 基于改进缺陷地结构的高灵敏度微波微流控传感器，为双端口器件；微波微流控传感器具有顶层、中间层及底层的三层结构；所述顶层包括一条微带线、两个50欧姆的电阻元件及两个SMA连接头，所述微带线有两个缺口处，缺口处均由50欧姆电阻元件焊接，所述微带线具有一个输入端口与一个输出端口，所述输入端口与所述输出端口均与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口分别用于连接所述SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述中间层是介质板；所述底层包括一个改进缺陷地结构，所述改进缺陷地结构包括螺旋线与DGS结构，所述螺旋线与所述DGS结构边缘之间有一个正方形环，在DGS结构中间有一个螺旋线结构，所述螺旋线结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。

作为本发明的一种优选方案，所述微带线的输入输出端宽度为1.63mm，在电阻焊接部分渐变为0.4mm，在中心段微带线变成宽度为2.6mm、长度为3.8mm的矩形。