基于微流通道的流体介电常数微波测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的三重结构的复合支节，该三重结构的复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，两个终端短路的槽线加载在终端开路的共面波导的中间导带上，两个终端短路的槽线与一个终端开路的共面波导并联，三重结构的复合支节上通过导电胶粘贴有微流管。本发明专利技术的测量装置结构简单，灵敏度高，测量装置上的三重结构的复合支节采用传统的刻蚀工艺加工，其价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。

Microwave dielectric constant measurement device based on microfluidic channel

The invention discloses a fluid dielectric constant microwave measuring device based on a microfluidic channel, including a coplanar waveguide transmission line and a composite branch joint loaded in series with a three heavy structure in the middle guide band of a coplanar waveguide transmission line. The composite branch of the three heavy structure consists of a coplanar waveguide with a terminal open circuit and a slot line of two terminal short circuits. The two terminal short-circuit slot lines are loaded on the intermediate guide band of the coplanar waveguide with a terminal open circuit. The two terminal short slot lines are parallel to a coplanar waveguide with a terminal open circuit, and the three heavy structure is attached to the microtube through the conductive adhesive. The measuring device of the invention has the advantages of simple structure and high sensitivity. The compound branch of the three structure of the measuring device is processed by the traditional etching process, which has low price, low processing difficulty and convenient for batch production, and can realize on-line real-time broadband detection.

【技术实现步骤摘要】
基于微流通道的流体介电常数微波测量装置
本专利技术属于微波测量装置
，具体涉及一种基于微流通道的流体介电常数微波测量装置。
技术介绍
随着微波技术的应用在生物学、细胞学、食品化工及电磁兼容等领域内不断取得突破性发展，许多新兴的交叉学科应运而生，如微波化学、电磁场生物医学等。然而，因人们对微波同生物介质或化学物质相互作用机理研究不足，导致了微波技术在上述领域内的应用依然面临很多技术壁垒。生物介质或化学物质的电参数是反映微波与其相互作用的重要参数，如在生物学领域，像蛋白质热变性、双层质膜、单细胞特性以及在微波化学领域内非热效应的研究，都是通过分析生物或化学物质介电特性的变化展开研究的。这些领域内的研究对象十分微小即被测对象为微流体，其引起的测试信号较为微弱，因此对检测的灵敏度和精确度提出了很高的要求，否则这些微小体积引起的微弱信号将被淹没在测试装置的背景噪声中。一般来说微流体的电特性测量方法可以分为谐振法和非谐振法，谐振法的特点是具有很高的灵敏度和精确度，但是属于窄带和非接触性测试。非谐振法的特点是设备简单、测试灵敏度低，但是属于宽带测试，可实现接触性和非接触性测量。文献“NoncontactMeasurementofComplexPermittivityofElectricallySmallSamplesatMicrowaveFrequencies[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,2016,64(9):2883-2893.”报道采用谐振法实现了小尺寸样本的介电特性测试，但属于窄带检测。非谐振法是实现宽带检测的主要方法，而传输/反射法是非谐振法中应用最为广泛的。很多微流体的电测量方法均采用共面波导传输线，并在其中间导带加载微流通道，但是没有考虑到增强微流通道的电场，也没有考虑阻抗匹配，致使整个检测装置上电磁最强的部分集中在共面波导传输线的两条传输缝隙中，且微流通道还需要采用特殊的工艺进行加工，这大大增加了测量装置的加工成本和难度，很难用于批量生产和在大范围内推广使用。鉴于此，本专利技术提出了一种基于传输/发射法的宽带微流体检测的测量装置，该测量装置采用共面波导传输线加上微流通道构成，微流通道由一个三重结构的复合支节构成，从而大大增强了测试区域的电场强度，使检测灵敏度大大提高。
技术实现思路
为克服目前大多数流体介电特性微波检测装置中对被检测样品的灵敏度的局限性，本专利技术提供了一种基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，该测量装置通过在共面波导传输线中间导带上加载一个三重结构的复合支节增强测试区域的电场强度，从而提高检测的灵敏度。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的三重结构的复合支节，该三重结构的复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，两个终端短路的槽线加载在终端开路的共面波导的中间导带上，两个终端短路的槽线与一个终端开路的共面波导并联，三重结构的复合支节上通过导电胶粘贴有微流管，该微流管用于填充被测微流体，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。进一步优选，所述共面波导传输线及三重结构的复合支节均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.15mm和2.3mm，三重结构的复合支节中各支节的缝隙宽度均为0.15mm，三重结构的复合支节中一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线的长度分别为10.6mm和10.05mm。本专利技术所述的基于微流通道的流体介电常数微波测量装置的测量方法，其特征在于具体过程为：（1）首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线中间导带上加载的一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线开的最佳尺寸，然后刻蚀介质基板得到测量装置，共面波导传输线两端的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连；（2）根据微波传输特性，微波信号由输入端口输入，经三重结构的复合支节，最后到达输出端口，串联加载的三重结构的复合支节使测试区域具有很强的电场，且在工作频带内满足阻抗匹配，进而大大提高测量的灵敏度，将被测微流体放置于测试区域的微流管内，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有测试样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测微流体的介电常数。进一步优选，步骤（2）的具体步骤为：首先采用有限元FEM对不同电特性的被测微流体引起的散射参数的幅度和相位信息进行仿真，获得训练神经网络所需的大量的样本；其次选择合适的神经网络和算法，建立测试的散射参数信息与被测微流体的介电特性之间的关系，并用得到的样本数据训练神经网络，不断调控神经网络的参数直至达到网络具有智能输出的能力，即网络可以依据不断变化的输入信息正确地给出输出信息；最后将不同的样本引起的测量装置的散射参数的信息输入到训练好的网络，其介电特性将被正确输出。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：测量装置结构简单，灵敏度高，测量装置上的三重结构的复合支节采用传统的刻蚀工艺加工，其价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。本专利技术提出的测量装置因加载的一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线的三重结构，不但增强了测试区域内的电场强度，传统共面波导传输线测量，其灵敏度大大提高，可用于检测微小的样本。附图说明图1是本专利技术测量装置的结构示意图；图2是本专利技术测量装置中微流管的结构示意图；图3是本专利技术测量装置的散射参数；图4是本专利技术测量装置加载被测微流体海水后的散射参数。图中：1-介质基板，2-金属层，3-共面波导传输线，4-信号传输缝隙，5-中间导带，51-金属地，6-终端开路的共面波导，7-终端短路的槽线，8-终端开路的共面波导的中间导带，9-输入端口，10-输出端口，T-三重结构的复合支节，M-测试区域。具体实施方式结合附图详细描述本专利技术的具体内容。如图1所示，本专利技术所述的基于微流通道的流体介电常数微波测量装置由双层板构成，其底层为介质基板1，上层为金属层2，在金属层2上刻蚀有共面波导传输线3，其包括两条信号传输缝隙4、中间导带5和金属地51，在中间导带5上刻蚀有三重结构的复合支节T，该三重结构的复合支节T由一个终端开路的共面波导6和两个终端短路的槽线7构成，两个终端短路的槽线7加载在终端开路的共面波导的中间导带8上，两个终端短路的槽线7与终端开路的共面波导6呈并联关系，在三重结构的复合支节T上方通过导电胶粘贴有弓字型的用于放置被测微流体的微流管，微流管的结构如图2所示，即本专利技术的测试区域M在三重结构的复合支节T如图1所示；所述被测流体可通过微流管放置在测量装置上的测试区域M，即共面波导传输线中间导带上加载的三重结构的复合支节T上，三重结构的复合支节T既要满足阻抗匹配又要聚集大量的电场，以提高检测的精确度和灵敏度，其配合使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的具有三重结构的复合支节，该三重结构的复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，两个终端短路的槽线加载在终端开路的共面波导的中间导带上，两个终端短路的槽线与一个终端开路的共面波导并联，具有三重结构的复合支节上通过导电胶粘贴有微流管，该微流管用于填充被测微流体，测试时共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。

【技术特征摘要】
1.基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的具有三重结构的复合支节，该三重结构的复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，两个终端短路的槽线加载在终端开路的共面波导的中间导带上，两个终端短路的槽线与一个终端开路的共面波导并联，具有三重结构的复合支节上通过导电胶粘贴有微流管，该微流管用于填充被测微流体，测试时共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。2.根据权利要求1所述的基于微流通道的流体介电常数微波测量装置，其特征在于：所述共面波导传输线及三重结构的复合支节均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.15mm和2.3mm，三重结构的复合支节中各支节的缝隙宽度均为0.15mm，具有三重结构的复合支节中一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线的长度分别为10.6mm和10.05mm。3.一种权利要求1所述的基于微流通道的流体介电常数微波测量装置的测量方法，其特征在于具体过程为：（1）首先通过仿真和实际测量确定共面波导传输线中间导带上加载的一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟娜，胥磊，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41