[发明专利]基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器

说明书

本发明公开了基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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、一片金属地、一个50欧姆的电阻元件及一个SMA连接头，所述微带线具有一个输入端口，所述的微带线的另一个端口通过50欧姆的电阻元件连接微带线和金属地，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口用于连接所述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SRR结构、所述改进结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。该传感器灵敏度高、测量范围宽，检测误差小，检测结果准确。

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体是基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器。

背景技术

近年来，基于微波谐振器的传感器因其在许多传感应用中的潜在应用而得到了广泛的开发，包括位移和旋转传感，金属和非金属材料的裂纹检测，医疗，以及固体电介质和液体化学品的介电常数测量。这些传感器主要用于确定根据谐振器电磁波与材料之间的相互作用，测试材料的浓度或物理特性。这种相互作用导致谐振器的等效电感和电容发生变化，从而导致谐振器S参数的变化及其中心频率的偏移。这些变化与感测材料的电气特性和物理特性密切相关。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。

在谐振型方法中，主线至少要加载一个电小型的谐振元件，通常是开口谐振环谐振器(Split-ring resonator-SRR)或互补开口谐振环振器(Complementary split-ringresonator-CSRR)。例如加载了SRR的周期线在谐振频率下表现出负磁导率，而当加载了CSRR时，该结构表现为负介电常数的超材料。在这两种情况下，复合右手/左手（Compositeright/left handed-CRLH）行为都可以通过添加并联电感器（SRR载线路）或串联电容器（CSRR负载线路）来实现。SRR结构在开口区域聚集成强电场，当强电场空间被待测液体(Liquid under test-LUT)代替，则空间的有效介电常数随着改变，根据液体的不同对电容产生不同的影响，最终体现在谐振频率点的偏移和Q值大小的改变，这两者往往被用来描述传感器的性能。传感器的灵敏度被定义为传感器空载时与满载时分别的谐振频率点的比值，这代表了传感器的感测范围与精度，而Q值越大，传感器分辨率越大。

共面波导(Coplanar waveguide -CPW)是指在介质基板中间刻蚀出金属导带，并且与同一平面的接地带在其两侧留有一定空隙的传输线结构。与传统的传输线相比，CPW具有更小的色散和耦合度，并且在毫米波频段的设计中有不可替代地位。在制作工艺中，CPW的电路尺寸更小，并且不需要背敷金属，其空余的基板底层提供了足够的设计空间。目前基于CPW的微波器件往往被设计成滤波器件，而很少涉及谐振式传感器的设计。

发明内容

为了挖掘基于CPW的谐振式传感器的潜力，本发明的发明目的在于提供基于负载开口谐振环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:基于负载开口谐振环的高灵敏度微波微流控传感器，为单端口器件；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、一片金属地、一个50欧姆的电阻元件及一个SMA连接头，所述微带线具有一个输入端口，所述的微带线的另一个端口通过50欧姆的电阻元件连接微带线和金属地，所述输入端口与所述微带线连接，且所述输入端口与所述输出端口用于连接所述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SRR结构、所述改进结构上面置有一个PDMS，所述PDMS内部形成有微流体通道。