一種微量液體介電常數測試傳感器的制造方法
【專利說明】
[0001 ] 技術領域:
本發明涉及微量液體介電常數的測試，特別是一種微量液體介電常數測試傳感器。
[0002]【背景技術】:
自從1967年N.H.Williams報道了微波可以加快某些化學反應的相關研究結果以來，微波能的應用都凸顯著巨大的生命力。現在，微波技術已被廣泛應用于生物醫學、食品化工、細胞分子學及醫學化工等領域并取得了巨大的經濟效益。因此研究微波與樣本之間的相互作用并獲得樣本的高頻電參數，是一個非常關鍵的研究內容，得到了國內外科技工作者的高度重視和廣泛研究。
[0003]對于蛋白質熱變性、雙層脂膜，單細胞特性、生物學細胞等領域及產出率低的十分珍貴的樣本，高頻電測量方法因其設備成本低、免標記、測量速度快等優點，受到越來越多的關注。如在細胞學領域，細胞的各個組成部分的信息均包含在其電特性里，在生物經濟時代，細胞的電特性對其研究具有重要的意義。但是這些小量樣本的體積很小，在探測過程中引起的微波/射頻信號十分微弱，這些微弱的信號往往被淹沒在不可避免的強背景噪聲中。為提高介電常數測量的靈敏度，國際上一些研究小組開始把目光集中在優化器件與改善探測方法以實現敏銳的捕捉微弱信號上來。最初的研究主要通過選擇更為靈敏的傳輸線(共面波導)、設計更為嚴密的盛放樣本的微流通道的方法，這些方法甚至被用來探測1w-K物質的介電譜。但是遺憾的是，微波頻率下，傳輸線自身的背景信號無法避免，微量樣本引起的微弱的信號的捕捉存在很大的局限性，且從探測到的微波/射頻信號(S參數)中提取介電常數時面臨著復雜的去嵌入過程。因此，需要提供另選的更有效更靈敏的測量方法來測量微量樣本的等效介電常數。
[0004]
【發明內容】
:
本發明的目的是設計一種結構合理、使用效果好的微量液體介電常數測試傳感器。
[0005]本發明的技術方案是，一種微量液體介電常數測試傳感器，其特征在于:傳感器為兩端口器件，其包括兩個相同的3dB威爾金森功分器和相位差為180度的兩條支路;一路為參考支路，另一條路為測量支路，被測物與參考物分別放置于兩條支路上;傳感器的兩端口與矢量網絡分析儀相連。所述的測量支路由共面波導結構的180度移相器組成。所述的參考支路為共面波導傳輸線組成。所述的180度移相器為單螺旋形狀。按照該方法設計的新型傳感器可消除背景噪聲，大大提高靈敏度。
[0006]本發明在測試微量液體介電常數方面有明顯的優勢，其靈敏度高，可以捕捉到微量被測物引起的微弱的信號，實測結果表明被測物僅需要160nl，在參考塑料管中盛滿去離子水，測試塑料管中不同體積引起的傳輸參數的頻偏，可以看出隨著被測物體積的增大，傳輸參數頻偏越大，信號越易被探測，當被測物體積達到160nl，傳輸參數的頻偏不再變化，因此只要被測物為160nl，就不會影響測試信號。
[0007]【附圖說明】:
圖1是本發明的結構示意圖，
圖2是本發明所述的被測物體積大小引起的信號變化的數據圖， 圖3是本發明所述的180度移相器的結構示意圖。
[0008]【具體實施方式】:
結合附圖詳細描述實施例，
本發明的測量裝置，包括兩個相同的威爾金森功分器，測量支路和參考支路，兩只路之間有180度相差，這個相差由寬帶單螺旋形狀的180度移相器5產生如圖3所示。本發明的結構示意圖如圖1所示，其中威爾金森功分器由共面波導I和耦合共面波導2組成，測量支路3采用如圖3所示的共面波導結構的移相器，參考支路4為共面波導傳輸線。本例在測量區和參考區粘貼有盛放被測物的容器，容器的中心位于移相器的共面波導傳輸線的中心。為便于加工及測試，本例中功分器的輸入阻抗為50歐姆，兩個輸出阻抗為75歐姆，則參考支路與測量支路的阻抗也為75歐姆。為提高傳感器的工作性能，在各不連續地方均焊接有引線。本例被測介質為微量液體，容器為常用的塑料管，其截面形狀為圓形，半徑為2mm，采用導電膠直接粘在測量區和參考區，塑料管無底，這樣可以使被測液體充分影響傳感器中電磁波的傳輸特性(散射參數)。在參考容器中盛滿參考溶液(本例選擇去離子水)，測試容器中盛放不同體積不同介電常數的被測液體時傳輸參數的相位變化(相對于中心頻率的頻偏)。實驗證明，本發明的測量靈敏度非常高，當被測物體積達至IjieOnl便不再影響測試結果，因此本發明提出的方法可探測到160nl液體引起的微弱的射頻信號。
[0009]本發明提出的傳感器與共面波導傳輸線測試結果的對比:測試過程中，參考物為去離子，待測物為不同濃度的乙醇溶液;本發明的方法是參考物和待測物分別放在參考區和測量區的塑料管中；共面波導傳輸線測試方法是參考物和待測物分別放在共面波導傳輸線的兩條縫隙中。結果表明，本發明提出的方法靈敏度比共面波導傳輸線的測試方法約高30倍。
[0010]本發明的微量液體介電常數測量傳感器，對測量支路及參考支路的阻抗無特別要求，只要與功分器的輸出阻抗相匹配即可。對于測量區與參考區也無具體要求，可以在參考支路及測試支路中任意位置劃定，且盛放待測物和參考物的容器無特殊要求。因此采用共面波導傳輸線構造傳感器，更便于實現高靈敏度測試及小型化制作。
[0011]經研究表明，依據幅度相同相位相反的兩路信號相消的理念設計的相消型傳感器在探測微量液體產生的微弱射頻信號十分敏感，其散射參數會隨著測量支路上被測物介電常數的變化而變化。該發明技術先進，規避了常規的強背景信號，實現弱背景信號下強變化的信號提取，測試靈敏度高，可以敏感地探測到納升量級溶液引起的微弱射頻信號。
[0012]如圖1所示，信號從傳感器的A端口輸入，經3-dB威爾金森功分器被分成幅度相等、相位相反的兩路。這兩路信號分別經過參考支路與測量支路后同時到達第二個功分器，然后從B端口輸出。當參考物與測試物相同時，由于兩支路有180度的相位，兩路信號到達第2個功分器時幅度相同，相位相反，完全可以抵消。當參考物與測試物不同時，兩路信號的微小差異將顯示在傳感器的兩端口散射參數(S參數)中。
[0013]本發明正是利用了微波的上述傳輸原理，設計出了尺寸與阻抗合適的相消型傳感器，并在參考支路與測量支路中加工有盛放液體物質的容器，使得被測物充分影響傳感器中電磁波的傳輸。通過測得的散射參數再結合神經網絡方法實現被測物介電常數的獲得。
[0014]上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉，而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種微量液體介電常數測試傳感器，其特征在于:傳感器為兩端口器件，其包括兩個相同的3dB威爾金森功分器和相位差為180度的兩條支路;一路為參考支路，另一條路為測量支路，被測物與參考物分別放置于兩條支路上;傳感器的兩端口與矢量網絡分析儀相連。2.如權利要求1所述的一種微量液體介電常數測試傳感器，其特征在于:所述的測量支路由共面波導結構的180度移相器組成。3.如權利要求1所述的一種微量液體介電常數測試傳感器，其特征在于:所述的參考支路為共面波導傳輸線組成。4.如權利要求1所述的一種微量液體介電常數測試傳感器，其特征在于:所述的180度移相器為單螺旋形狀。
【專利摘要】本發明公開了一種微量液體介電常數測試傳感器，本發明的技術方案要點是，一種微量液體介電常數測試傳感器，傳感器為兩端口器件，其包括兩個相同的3dB威爾金森功分器和相位差為180度的兩條支路；一路為參考支路，另一條路為測量支路，被測物與參考物分別放置于兩條支路上；傳感器的兩端口與矢量網絡分析儀相連。本發明在測試微量液體介電常數方面有明顯的優勢，其靈敏度高，可以捕捉到微量被測物引起的微弱的信號。
【IPC分類】G01R27/26
【公開號】CN105629078
【申請號】CN201510982684
【發明人】劉偉娜, 詹華偉, 陳洋洋, 邢孟女
【申請人】河南師范大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月24日