一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器及设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器及设计方法，其包括：生物传感载片和微流控管道；生物传感载片，包括微带线耦合结构、连接于微带线耦合结构两端的阻抗变换枝节和设于阻抗变换枝节端部的GSG接口结构；微流控管道，贯穿于微带线耦合结构，用于传输待测生物液体。通过微带线耦合结构与微流控管道的结合，提高了该生物传感器的灵敏性和准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器及设计方法


[0001]本专利技术涉及微波/毫米波生物信息检测领域，尤其涉及一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器及设计方法。

技术介绍

[0002]毫米波可利用的频谱范围宽、信息容量大，具有更高的工作频率、更宽的带宽、更小的器件尺寸和更高的集成度。近年来，毫米波与生物材料相互作用的机制、影响和应用的研究，极大地推动了微波毫米波生物传感技术的快速发展。生物检测的灵敏度是毫米波生物传感器研制的重点和难点。毫米波生物检测的灵敏度与传感结构的品质因数有关，品质因数Q值越高，对输入信号的响应越灵敏，从而使得传感器对输入信号的变化更加敏感。因此，当前的生物传感器多为具有高品质因数且结构简单的谐振结构或波导结构等，通常依据反射或传输响应中的频率偏移或幅度变化来进行生物信息的检测。
[0003]现阶段，用于生物信息检测的器件结构包含了平面微带谐振结构、矩形波导谐振腔结构、共面波导结构和平面开口谐振环结构等，加载生物样本的主要方式包含了采用微流控、毛细玻璃管、片上培养和直接滴注等方式。同时，当前的生物传感器的工作频率低，导致其对应的检测灵敏度低、样本需求量大、且体积大。
[0004]混合电磁耦合可以通过相邻谐振器之间的电磁场相互作用来产生传输零点。传输零点是指电路传输函数中的一个频率点，在该频率点上传输函数为零；传输零点的产生取决于相邻结构之间的电磁耦合程度以及它们之间的距离和几何形状等因素。通过合理的设计和优化，可以利用混合电磁耦合来控制传输响应中的传输零点，并实现滤波、传感和信号处理等应用。
[0005]针对日益增长的小样本、高通量与高灵敏的生物信息检测需求，亟需提出一种具有小体积的便携式生物传感器，进一步地满足生物信息的快捷检测。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了克服现有技术的不足，提供一种毫米波生物传感器及其设计方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，包括：生物传感载片和微流控管道。
[0008]生物传感载片，包括微带线耦合结构、连接于微带线耦合结构两端的阻抗变换枝节和设于阻抗变换枝节端部的GSG接口结构；微带线耦合结构包括中心对称且首尾耦合的枝节内环和设于枝节内环外中心对称且首尾耦合的枝节外环；枝节外环与阻抗变换枝节连接；
[0009]微流控管道，贯穿于微带线耦合结构，用于传输待测生物液体，微流控管道穿过微带线结构与其枝节内环和枝节外环接触的部分设有弯折部，弯折部呈方形波状结构，微流控管道穿过微带线结构的中心位置具有一折弯。
[0010]优选的，微带线耦合结构的枝节内环包括首尾耦合的第一枝节和第二枝节，外环
枝节包括首尾耦合的第三枝节和第四枝节，各枝节之间互不接触。
[0011]优选的，第三枝节和第四枝节的中部对称相对的位置设有一接地孔。
[0012]优选的，微带线耦合结构两端的阻抗变换枝节包括第一阻抗枝节和第二阻抗枝节，第二阻抗枝节通过第一阻抗枝节与微带线耦合结构连接，第二阻抗枝节的另一端连接于GSG接口结构。
[0013]优选的，GSG接口结构包括接地端口和信号端口，接地端口对称设置于信号接口的纵向方向的端部，接地端口上设有至少一个接地孔。
[0014]优选的，微流控管道的端部设有管道连接孔，折弯是Z型。
[0015]优选的，微流控管道是微流控PDMS液体管道。
[0016]优选的，该生物传感器在一基板上完成加工，基板为覆金陶瓷基板，覆金陶瓷基板与微流控管道之间设有PDMS膜，PDMS膜的厚度为15um。
[0017]本专利技术孩提供了一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器的设计方法，其设计步骤包括：
[0018]步骤1：根据待测生物液体的测量频率范围，基于混合电磁模理论分析，确定微带线耦合结构的相应尺寸，并针对该尺寸进行电磁仿真验证理论分析设计的准确性；
[0019]步骤1.1：通过中心对称且首尾耦合的枝节内环和设于枝节内环外中心对称且首尾耦合的枝节外环获得微带线耦合结构，其中枝节内环由第一枝节和第二枝节得到，枝节外环由第三枝节和第四枝节获得；
[0020]步骤2：针对已设计完成的微带线耦合结构和已确定的GSG接口结构，采用阻抗变换枝节来实施阻抗匹配，并优化生物传感载片；
[0021]步骤3：针对所提出的生物传感载片设计微流控管道，并将微流控管道与生物传感载片进行集成，形成基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，并针对微流控管道和生物传感载片进行综合电磁仿真优化。
[0022]优选的，步骤2包括：
[0023]步骤2.1：通过接地端口和信号端口来确定GSG接口结构，将接地端口对称设置于信号接口的纵向方向的端部，在接地端口上设置至少一个接地孔；
[0024]步骤2.2：采用第一阻抗枝节和第二阻抗枝节构成阻抗变换枝节，并将其与确定的微带线耦合结构和GSG接口结构进行阻抗匹配；
[0025]步骤2.3：优化生物传感载片的方法是：通过调整微带线耦合结构耦合强度获得由微带线耦合结构、GSG接口结构和阻抗变换枝节构成的生物传感载片；
[0026]步骤3包括：
[0027]步骤3.1：集成微流控管道与生物传感载片的方法为：将微流控管道贯穿于微带线耦合结构，微流控管道穿过微带线结构与其枝节内环和枝节外环接触的部分设置为方形波状结构的弯折部，微流控管道穿过微带线结构的中心位置设置一折弯，形成基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器。
[0028]本专利技术提供的一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器及设计方法的有益效果是，基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器包括生物传感载片和微流控管道，而生物传感器包括由一对中心对称且首尾耦合的枝节构成的微带线耦合结构、阻抗变换枝节和GSG接口结构。其中微带线耦合结构通过混合电磁耦合的方式产生传输零点和极点，通过传输
零点和极点的变化来检测生物信息，且通过改变电耦合强度和磁耦合强度来控制混合电磁耦合引起的传输零点，进而提高该生物传感器的灵敏性。此外，微带线耦合结构的结构简单，既降低了设计成本，也提高了检测效率。基于微带线耦合结构的混合电磁耦合的分析，将微带线耦合结构与微流控管道相结合，以提高生物信息检测的效率。在微流控管道穿过微带线耦合结构与各枝节接触的部分设有弯折呈方形波状的弯折部，且在微带线耦合结构的中心位置设有一折弯，当注入至微流控管道的待测生物液体输送倒微带线耦合结构时，微流控管道的弯折部和折弯会将待测生物液体稳定在微流控管道内，降低待测生物液体的流动速度，以提高生物信息的转却性，同时弯折部和折弯处可增加同时检测的液体量，在一定程度上缩短了检测时间。此外，微流控管道的宽度较小，可支持小样本的待测生物液体检测。
附图说明
[0029]图1为本专利技术提供的一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器的生物传感器载片的结构图；
[0030]图2为本专利技术提供的一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器的微流控管道与生物载片结合的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，包括：生物传感载片和微流控管道；生物传感载片，包括微带线耦合结构、连接于微带线耦合结构两端的阻抗变换枝节和设于阻抗变换枝节端部的GSG接口结构；所述微带线耦合结构包括中心对称且首尾耦合的枝节内环和设于枝节内环外中心对称且首尾耦合的枝节外环；所述枝节外环与阻抗变换枝节连接；微流控管道，贯穿于微带线耦合结构，用于传输待测生物液体，所述微流控管道穿过微带线结构与其枝节内环和枝节外环接触的部分设有弯折部，所述弯折部呈方形波状结构，所述微流控管道穿过微带线结构的中心位置具有一折弯。2.根据权利要求1所述的基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述微带线耦合结构的枝节内环包括首尾耦合的第一枝节和第二枝节，所述外环枝节包括首尾耦合的第三枝节和第四枝节，各枝节之间互不接触。3.根据权利要求2所述的基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述第三枝节和第四枝节的中部对称相对的位置设有一接地孔。4.根据权利要求2所述的基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述微带线耦合结构两端的阻抗变换枝节包括第一阻抗枝节和第二阻抗枝节，所述第二阻抗枝节通过第一阻抗枝节与微带线耦合结构连接，第二阻抗枝节的另一端连接于GSG接口结构。5.根据权利要求4所述基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述GSG接口结构包括接地端口和信号端口，接地端口对称设置于信号接口的纵向方向的端部，所述接地端口上设有至少一个接地孔。6.根据权利要求1所述基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述微流控管道的端部设有管道连接孔，所述折弯是Z型。7.根据权利要求6所述基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，所述微流控管道是微流控PDMS液体管道。8.根据权利要求1所述的基于混合电磁耦合的毫米波生物传感器，其特征在于，该生物传感器在一基板上完成加工，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏国东，李婧，孙玲玲，陈津，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：