基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器制造技术

本发明专利技术公开基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器。本发明专利技术从上到下依次包括共面波导传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构为周期性结构，各单元结构之间通过微带线连接。所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，并采用分支路的方式，分别覆盖电磁带隙单元结构左右两侧的缝隙，各分支路分别汇聚于上下两端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。本发明专利技术结构采用电磁带隙结构为基础，其微流通道被设计为多个分流支路，明显增加了围绕电场的路径，改善了目前微流体传感器灵敏度较低且质量因子Q值较低的情况，提高了灵敏度，同时具有较高的Q值，保证了测量的高分辨率和精确度。

High sensitivity microwave microfluidic sensor based on electromagnetic band gap structure

【技术实现步骤摘要】
基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器
本专利技术属于微波
，具体涉及一种基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器结构，用于表征液体的介电常数。
技术介绍
随着微波技术的不断发展，微波传感器在电子、生物医学和工业应用的使用率日益增长，同时由于其具有灵敏度高、鲁棒性好、制造和测量成本低等优点，使它们成为微流体和生物传感应用的首选。介电常数是反应物质电磁特性的重要物理性质之一，它是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带，而一种材料对电磁波的响应则取决于它的介电常数，因此，准确测量介电常数对天线、微波电路设计和无损检测等应用至关重要。微流体传感器，其微流体通道通常是被认为是在所设计结构的间隙区，当处于谐振时有很强的局域电场，其对附近的电介质材料的变化非常敏感，将液体样品放置于微流体通道中，可以改变谐振频率和质量因子，传感器根据测量到的谐振频率和峰值衰减的变化来确定液体样品的复介电常数。目前，在微流体传感器的设计应用中，基于现有的谐振原理的微流体传感器的灵敏度较低，且随着液体介电常数的提高，Q值不断降低，且基于电磁带隙结构设计的微流体传感器很少。目前基于电小谐振器的微波传感器最高灵敏度为6.81MHz，是由AmirEbrahimi的一篇期刊论文“Ultrahigh-SensitivityMicrowaveSensorforMicrofluidicComplexPermittivityMeasurement”提出。鉴于此，本专利技术结构提供了一种基于电磁带隙结构的微流体传感器，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中设计了多个微流体通道分路，大大增加了测量区域的电场路径，从而使检测灵敏度大大提高(6.97MHz)，同时具有较高的Q值，提高了测量的精确度和分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的主要是针对现有技术的不足，提出了一种结构合理、高灵敏度、高Q值的微波微流体传感器，该结构是在电磁带隙结构和共面波导(coplanarwaveguide，CPW)微带线基础上设计的，微流体通道放置于电磁带隙结构的下方，用于测量液体样品。为达到上述目的，本专利技术按照以下技术方案实现：本专利技术基于电磁带隙结构的微波微流体传感器，其结构从上到下依次是共面波导(coplanarwaveguide，CPW)传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构是一种周期性结构，其单元结构大小为28mm×28mm，各单元结构之间通过一个矩形微带线连接。电磁带隙结构的单元结构为方形环形结构，其中心镂空区域内嵌有一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面的距离为0.8mm；所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，并采用分支路的方式，分别覆盖电磁带隙单元结构左右两侧的缝隙，各分支路分别汇聚于上下两端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出；所述PDMS通道整体的高度、宽度和长度分别为5mm、25mm、54mm，其内部的微流体通道的高度为0.2mm；所述微流体通道由PDMS加工而成，总共有4个分支路，各个分支路宽度为2.6mm，分别经过电磁单元结构的中心区域的左右两侧槽环，该区域的电场强度最大，对电介质材料的介电常数变化非常敏感，适合放置微流体通道，测量液体样品的介电常数；所述介质层为RogersRO4350材料，其相对介电常数为3.66，介质厚度为0.762mm，损耗角正切值为0.004。所述传感器的灵敏度决定了对液体介电常数测量的分辨率，Q值决定了测量的精度，小型化和抗干扰能力决定了传感器的实用性；本专利技术结构与现有技术相比:本专利技术结构采用电磁带隙结构为基础，其微流通道被设计为多个分流支路，明显增加了围绕电场的路径，改善了目前微流体传感器灵敏度较低且质量因子Q值较低的情况，提高了灵敏度，同时具有较高的Q值，保证了测量的高分辨率和精确度。附图说明图1是本专利技术结构由顶层至底层示意图；图2是本专利技术结构的示意图，其中(a)为CPW传输线的参数标注图；(b)为电磁带隙结构的参数标注图；图3是本专利技术结构的S参数示意图；图4是本专利技术结构的电场强度分布示意图；图5是本专利技术结构的PDMS微流体通道的示意图，其中(a)为PDMS微流体通道的正视图，(b)为PDMS微流体通道的俯视图；图6是本专利技术结构的S参数与待测液体样品之间的关系示意图；其中，1.GND；2.CPW微带线；3.RogersRO4350介质层；4.电磁带隙结构。具体实施方式下面将结合附图具体实施例对本专利技术结构作进一步详细说明。如图1所示为本专利技术结构的示意图，由顶层至底层结构分别为CPW传输线2、介质层3和电磁带隙结构4。电磁带隙结构为两个周期性结构构成，其单元结构大小为28mm×28mm，各单元结构之间通过一个矩形微带线连接。所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面1的距离为0.8mm；如图2(a)、图2(b)分别为CPW传输线和电磁带隙结构的参数标注图，其中传输线的两端口用于连接SMA连接头，电磁带隙结构的单元结构为方形环形结构，其中心镂空区域内嵌有一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；如图3所示是本专利技术结构的S参数示意图，其谐振频率为2.447GHz，Q值为122。如图4所示是本专利技术结构的电场强度分布示意图，电磁带隙结构的中心区域的缝隙周围的电场强度最大，适合放置微流体通道，用来测量液体样品的介电常数。如图5所示是本专利技术结构的PDMS微流体通道的示意图，其整体长、宽、高分别为54mm、25mm、5mm，所述微流体通道高度为0.2mm，总共有4个分支路，分别覆盖电磁带隙单元结构左右两侧的缝隙，各个分支路宽度为2.6mm，4个分支路分别汇聚于上下两端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出；本专利技术结构的各参数数值如表1所示：表1各参数数值参数w1w2w3w4w5数值(mm)1.5612.420.40.40.4参数a1a2g1g2d1数值(mm)...

【技术保护点】
1.基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于从上到下依次包括共面波导传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构为周期性结构，各单元结构之间通过一个矩形微带线连接；/n电磁带隙结构的单元结构为方形环形结构，其中心镂空区域内嵌有一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；/n所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；/n所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面的距离为0.8mm；/n所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，并采用分支路的方式，分别覆盖电磁带隙单元结构左右两侧的缝隙，各分支路分别汇聚于上下两端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。/n

【技术特征摘要】
1.基于电磁带隙结构的高灵敏度微波微流体传感器，其特征在于从上到下依次包括共面波导传输线、介质层、电磁带隙结构,其中电磁带隙结构为周期性结构，各单元结构之间通过一个矩形微带线连接；
电磁带隙结构的单元结构为方形环形结构，其中心镂空区域内嵌有一个较小方形平面板，方形平面板与方形环形结构间留有缝隙；在较小正方形上下两边刻蚀一个矩形缺口，从该矩形缺口的底部中点引出一条微带线与方形环形结构内壁连接；
所述CPW微带线结构置于介质层上表面，包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述两端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连接；
所述CPW微带线宽度为1.56mm，与两侧地平面的距离为0.8mm；
所述微流体通道置于电磁带隙结构的下侧，并采用分支路的方式，分别覆盖电磁带隙单元结构左右两侧的缝隙，各分支路分别汇聚于上下两端口，液体样品在其中一个端口用针孔注入，再从另一端口流出。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文生，张园园，王大伟，王晶，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33