用于微流体的温度补偿微带传感器制造技术

本发明专利技术公开了用于微流体的温度补偿微带传感器，包括介质基板,基板底面刻蚀裂环谐振器并设置微带部分，微带部分包括两条主微带线和两条分支微带线，两条分支微带线围成矩形状且两侧分别与同侧的主微带线形成T型结，主微带线的另一端为端口；基板顶层刻蚀两个互补裂环谐振器，每条分支微带线分别激励一个互补裂环谐振器；互补裂环谐振器设有液体注入口和液体流出口，液体注入口与液体流出口之间的介质基板上刻蚀有曲折槽；PDMS微流控通道基板置于两个互补裂环谐振器上方，PDMS微流控通道基板设有测试通道和参考通道，测试通道、参考通道分别与两互补裂环谐振器的曲折槽重叠且严格对齐，参考通道用作参考，测试通道用于注入二元混合液体时进行测试。元混合液体时进行测试。元混合液体时进行测试。

【技术实现步骤摘要】
用于微流体的温度补偿微带传感器


[0001]本专利技术属于涉及微波传感器设计
，特别涉及一种用于微流体的温度补偿微带传感器。

技术介绍

[0002]在过去几年中，许多基于裂环谐振器(split
‑
ring resonator)、互补裂环谐振器(complementary split
‑
ring resonator)以及它们被修改后的结构的微波传感器被提出用于检测固体物质或二元液体混合物。
[0003]众所周知，不想要的或不受控制的周围环境环境因素(例如温度、气压和湿度等)会影响电介质的介电基板、PDMS和液体样品的介电常数，从而导致谐振频移和相应的测量误差。为了抑制环境因素的影响，目前已经研发了一些补偿技术。其中，差分传感器就是基于此诞生的，然而，虽然差分传感器可以有效抑制环境影响，但它还是无法识别液体，因为液体的介电常数高度依赖于温度。最近出现了采用机器学习算法来消除基于SRR应用中的温度效应的微波传感器。然而，这种算法的编译过程很复杂，经过训练的ANN模型只是适用于表征参数被提前训练过的二元液体，从而大大限制了其应用范围。此外，这种技术不能排除其他除温度外的环境影响。
[0004]因此，研发一种微波微流体传感器结构来应对上述复杂的多维环境变量影响的问题，就显得格外重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术通过改进的差分微波传感器结构来抑制复杂的环境影响的同时增加SRR结构来检测温度这一变量，提出了一种用于微流体的温度补偿微带传感器，该结构能实现较高的测量精度和较好的抑制效果。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采取如下技术方案：
[0007]一种用于微流体的温度补偿微带传感器，包括：介质基板、微带部分、裂环谐振器(SRR)、互补裂环谐振器(CSRR)、PDMS微流控通道基板；介质基板的底面刻蚀所述的裂环谐振器(SRR)并设置微带部分，微带部分包括两条主微带线和两条分支微带线，两条分支微带线围成矩形状且两侧分别与同侧的主微带线形成T型结，两主微带线的另一端分别为端口一、端口二；介质基板的顶层刻蚀两个CSRR，每条分支微带线分别激励一个CSRR；所述的互补裂环谐振器(CSRR)设有液体注入口和液体流出口，液体注入口与液体流出口之间的介质基板上刻蚀有曲折槽；聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控通道基板置于两个互补裂环谐振器(CSRR)上方，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控通道基板设有测试通道和参考通道，测试通道、参考通道分别与两互补裂环谐振器(CSRR)的曲折槽重叠且严格对齐，其中，参考通道用作参考，测试通道用于注入二元混合液体时进行测试。
[0008]优选的，介质基板的材料为Rogers RT/Duroid 4350，厚度为0.762mm，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004。优选的，特性阻抗为35.35欧姆的四分之一波长阻抗转换线
级联在两个50欧姆端口和相对应的T型结之间。
[0009]优选的，根据Maxwell
‑
Garnett表达式，二元液体混合液体的复介电常数表示如下所示：
[0010][0011]其中，ε
m
和ε
f
为主体介质和第二液体的介电常数，v
f
为第二液体的体积分数。
[0012]优选的，液体介电常数可以使用单个Debye模型来描述，其表示如下所示：
[0013][0014]其中，ε0(T)和ε
∞
(T)分别是低频和高频范围内的介电常数，τ(T)表示弛豫时间，对于纯水τ(T)的表达式为：
[0015][0016]其中a＝1.37
×
10
‑
13
s，d＝651℃,T0＝133℃，T
water
表示水的温度；
[0017]优选的，温度对液体性质有显着影响，需要明确液体在不同温度下的复介电常数根据纯流体的Kirkwood理论，液体介电常数与温度的关系描述如下：
[0018][0019]其中M
w
表示分子量，ρ表示密度，α是分子极化率，N
A
表示Avogadro常数μ表示分子的偶极矩，k
B
表示玻尔兹曼常数，g表征相邻分子之间相对取向的相关因子。
[0020]优选的，温度可以通过SRR谐振频率的变化来恢复。应用拟合表达式来描述温度与谐振频率之间的关系，如下所示：
[0021]T＝83.36
‑
452.78f
r
+1570.76f
r2
‑
2832.13f
r3
[0022]其中f
r
是相对参考频率f
ref,SRR
的偏移，其表达式如下所示：
[0023][0024]其中f
SRR
表示不同温度下SRR的谐振频率,参考频率f
ref,SRR
被设置为1.52GHz；
[0025]优选的，通常，液体特性可以通过相对共振频移和归一化品质因数来检索，如下所示：
[0026][0027][0028]其中f
CSRR,L
和Q
CSRR,L
分别表示为下支路参考CSRR的谐振频率和品质因数,f
CSRR,U
和Q
CSRR,U
分别表示上分支中加入待测液体的CSRR的谐振频率和品质因数。
[0029]优选的，传感器的灵敏度被定义为：
[0030][0031]优选的，机器学习方法用于检索不同温度下的液体介电常数。采用基于遗传算法(GA)优化的反向传播神经网络(BP
‑
NN)来重建测量数据与液体性质之间的关系。在训练过程中，GA搜索初始权重，BP
‑
NN用这些初始权重找到最优解。根据柯尔莫哥洛夫定律，隐藏层的节点设置为10，以相对谐振频移f
rm
和温度T作为输入数据，液体介电常数ε
′
r
'的实部作为输出。网络的权重(w
ij
以及V
j
,i＝1,2,j＝1,2,
…
,10)和阈值(t
j
和a0,j＝1,2,
…
,10)通过训练数据集(f
rm
和T)得到。得到NN模型后，将所有的训练数据f
rm
和T作为测试数据来验证该模型的可靠性。提取ε
′
r
后，应用BP
‑
NN来检索损耗角正切tanδ。它具有三个输入变量(ε
′
r
,T,and Q
nor
)和一个输出变量(tanδ)。同理，网络权重(w
kp
和V
p
,k＝1,2,3和p＝1,2,
…
,10)和阈值(t
p
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是包括：介质基板(1)、微带部分(2)、裂环谐振器(3)、互补裂环谐振器(4)、PDMS微流控通道基板(5)；介质基板(1)的底面刻蚀所述的裂环谐振器(3)并设置微带部分(2)，微带部分(2)包括两条主微带线(2
‑
1)和两条分支微带线(2
‑
2)，两条分支微带线(2
‑
2)围成矩形状且两侧分别与同侧的主微带线(2
‑
1)形成T型结，两主微带线(2
‑
1)的另一端分别为端口一(2
‑1‑
1)、端口二(2
‑1‑
2)；介质基板(1)的顶层刻蚀两个互补裂环谐振器(4)，每条分支微带线(2
‑
2)分别激励一个互补裂环谐振器；所述的互补裂环谐振器(4)设有液体注入口(4
‑
1)和液体流出口(4
‑
2)，液体注入口(4
‑
1)与液体流出口(4
‑
2)之间的介质基板上刻蚀有曲折槽(1
‑
1)；PDMS微流控通道基板(5)置于两个互补裂环谐振器上方，PDMS微流控通道基板(5)设有测试通道(4
‑
3)和参考通道(4
‑
4)，测试通道(4
‑
3)、参考通道(4
‑
4)分别与两互补裂环谐振器(4)的曲折槽重叠且严格对齐，其中，参考通道(4
‑
4)用作参考，测试通道(4
‑
3)用于注入二元混合液体时进行测试。2.如权利要求1所述用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是，介质基板的材料为Rogers RT/Duroid 4350，厚度为0.762mm，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004。3.如权利要求1所述用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是，特性阻抗为35.35欧姆的四分之一波长阻抗转换线级联在50欧姆的端口一、端口二与同侧的T型结之间。4.如权利要求1
‑
3任一项所述用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是，根据Maxwell
‑
Garnett表达式，二元液体混合液体的复介电常数表示如下所示：其中，ε
m
和ε
f
为主体介质和第二液体的介电常数，v
f
为第二液体的体积分数。5.如权利要求4所述用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是，液体介电常数使用单个Debye模型来描述，表示如下：其中，ε0(T)和ε
∞
(T)分别是低频和高频范围内的介电常数，τ(T)表示弛豫时间，对于纯水τ(T)的表达式为：其中a＝1.37
×
10
‑
13
s，d＝651℃，T0＝133℃，T
water
表示水的温度。6.如权利要求5所述用于微流体的温度补偿微带传感器，其特征是，温度对液体性质有显着影响，需要明确液体在不同温度下的复介电常数根据纯流体的Kirk...

【专利技术属性】
技术研发人员：方宇浩，赵文生，吴文敬，王大伟，袁博，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：