1、2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家自然科学基金(52175555)收稿日期:20220913基于 CSIW 加载开口圆环的增强型微流传感器段俊萍，赵文强，武鑫磊，陆畅，张斌珍(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051)摘要:针对微流传感器小型化、高灵敏度的性能要求，利用微扰理论，提出了一种基于圆形基片集成波导(CSIW)加载开口圆环的增强型微流传感器。传感器加载开口圆环后，工作频率从 3 GHz 降到16 GHz，相对频率偏移量增加54%。建立了传感器的等效电路模型并
2、根据简化电路模型解释了微流检测的工作原理。实验结果表明:设计的传感器对乙醇溶液的测量误差小于 3%，对葡萄糖浓度的测量误差小于 6 mg/mL，在微流检测领域具有很好的应用前景。关键词:微扰理论;圆形基片集成波导;微流传感器;小型化;高灵敏度中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02001705Enhanced Microfluidic Sensor by Loading Open-ended Circle on CSIWDUAN Jun-ping，ZHAO Wen-qiang，WU Xin-lei，LU Chang，ZHANG Bin-zhen(North
3、 University of China，Key Laboratory of Instrumentation Science Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)Abstract:Aiming at the requirements of miniaturization and high sensitivity of microfluidic sensors，an enhanced microfluidicsensor based on circular substrate integrated wave
4、guide(CSIW)loaded an open-ended circle was proposed by perturbation theoryWhen the sensor was loaded an open-ended circle，the operating frequency was reduced from 3 GHz to 16 GHz，and the relativefrequency offset of the sensor is increased by 54%An equivalent circuit model of the sensor was developed
5、，and the operatingprinciple of microfluidic detection was explained based on the simplified circuit modelThe experiment results show that the meas-urement error is less than 3%for ethanol solution，and that of glucose concentration is less than 6 mg/mL，Which have good ap-plication prospects in the fi
6、eld of microfluidic sensorKeywords:perturbation theory;circular substrate integrated waveguides;microfluidic sensors;miniaturization;high sensitivity0引言近年来，随着食品加工、药物检测以及生物传感等领域的发展，对传感器的要求越来越高，设计一款高性能、低成本和小体积的微流体检测传感器引起广泛关注13。2003 年，文献 4 提出基片集成波导理论，基于基片集成波导的腔谐振器具有常规腔谐振器高品质因数的特点，同时又属于平面结构5，可以通过等效磁壁切割、
7、加载缝隙以及做多层结构的方式实现小型化设计68。这些特点使它可以实现对微量待测溶液的高精度测量。目前，基片集成波导技术在溶液测量方面的应用仍然存在一些问题。文献 910 分别设计了一种 CSIW的溶液测量传感器，虽然可以进行不同溶液的表征，但存在不同液体之间的频率偏移量小、传感器体积大的问题。文献 1112 对 CSIW 传感器进行了改进并在中间层加入了微流体通道。虽然在介质基板的中间引入微流体通道解决了液体注入平面结构以及精确控制待测液体体积的问题，但多层结构增加了传感器的制造成本。除此之外，传感器的频率偏移量随着待测溶液介电常数的增加急剧减小。文献 13 设计了一个小型化的CSIW 溶液溶
8、度测量传感器，通过在传感器表面刻蚀 8个曲折缝隙，降低了传感器的工作频率，实现了小型化。该传感器对水乙醇混合溶液测量的频率偏移量达到300 MHz，但该传感器的测量结果受到待测液体体积的影响，产生测量误差较大，不利于对溶液浓度进行高精度的测量。本文提出了一种基于 CSIW 加载开口圆环的增强型微流传感器。通过开口圆环的加载，降低传感器工作频率的同时提高传感器的相对频率偏移量。除此之外，引入玻璃管道减小溶液体积对传感器测量精度的影响。与其他类似的平面传感器相比，设计的传感器具有结构简单、相对频率偏移量大、体积小、测量误18Instrument Technique and SensorFeb202
9、3差小、加工费用低等优点。1传感器的设计设计的基于 CSIW 加载开口圆环的增强型微流传感器结构如图 1 所示。从图 1(b)可以看出，传感器自上而下分别为空心玻璃管、上金属层、介质基板和下金属层。在传感器的周围是规律性排列的金属通孔，适当的通孔直径和合理的通孔间距可以减小能量损耗，传感器的电场最强区域将作为待测区域。(a)俯视图(b)主视图图 1传感器结构示意图在未刻蚀开口圆环之前，传感器的工作频率由自身的尺寸以及介质基板的参数决定，具体的工作频率可以通过式(1)计算13。f=mnc2rrr(1)式中:f 为传感器的工作频率;r 为传感器的等效半径;r和 r分别为传感器介质基板的磁导率和介电
10、常数。传感器的结构确定后，工作频率就是一个定值。在传感器的上表面加载开口圆环将会改变传感器的电场分布，通过延长电流路径的方式降低传感器的工作频率，实现器件的小型化。小型化后的传感器工作频率由开口圆环的尺寸决定。在测量时，将待测溶液加入到传感器的微流体通道，通过检测传感器的工作频率变化计算溶液浓度。考虑到溶液的介电特性和空腔差距较大，在设计时对加载水溶液之后的传感器进行仿真优化14。传感器选择 ogers 5880 作为介质基板，板材的介电常数为 22，损耗角正切值0000 9，板材的厚度为 0787mm。优化后的结构参数见表 1。表 1传感器结构参数表mm123456akw2898742223
11、18448图 2 是传感器小型化前后的 S 参数对比图，从图2 可知，在上金属层刻蚀开口圆环之后，传感器在测量水溶液时的工作频率从 3 GHz 降低到了 16 GHz。图 2传感器小型化前后的 S 参数对比2仿真分析21传感器模型仿真对比图 3(a)和图 3(b)分别是传感器小型化前后的电场分布图。由电场分布图可知，小型化前的传感器电场强度从中心区域向四周递减，小型化后的电场集中在开口圆环内。小型化后的传感器中心区域电场强度明显增强。(a)小型化前电场分布(b)小型化后电场分布图 3传感器的电场分布在图 4(a)和图 4(b)中作出传感器小型化前后的频率随介电常数变化的关系曲线。在相同的介电常
12、数变化范围内，小型化前和小型化后的传感器分别频移了 380 MHz 和 300 MHz。使用相对频率偏移量 F 来进行对比。相对频率偏移量的定义为式(2)。F=ff0(2)第 2 期段俊萍等:基于 CSIW 加载开口圆环的增强型微流传感器19(a)小型化前(b)小型化后图 4频率和介电常数的关系曲线式中:F 为传感器的相对频率偏移量;f 为频率的偏移量;f0为传感器的初始频率。将频率偏移量代入到式(2)，传感器在小型化前后的 F 分别为 0182 和 0125。传感器小型化后的相对频率偏移量比小型化之前提升了 54%。通过上述分析，在传感器的上金属层加载开口圆环不仅可以实现器件的小型化，而且增
13、强了中心区域的电场强度，增大了传感器的相对频率偏移量。22等效电路模型分析图 5 给出了传感器的等效电路模型，并采用电路分析的方法对传感器的工作原理进行简单说明。(a)传感器等效电路模型(b)简化电路模型图 5传感器的电路模型在传感器的等效电路模型中，L1和 L2是小型化设计前传感器的电感，C 代表传感器的板间电容，代表传感器的阻值，L3的大小由传感器上层加载的开口圆环决定。可以通过增大 L3来降低传感器的工作频率。图 5(b)是传感器的简化模型，此时，传感器的工作频率可以表示为7 fc=12LSCS(3)式中:fc为传感器的工作频率;LS和 CS分别为传感器的等效电感和等效电容。加载溶液会改
14、变传感器的等效电阻和等效电容，等效电容的变化是传感器测量不同溶液时频率偏移的根本原因。图 6 是传感器电路模型和 HFSS 模型的仿真结果对比图。图 6电路模型和 HFSS 模型的仿真对比图3传感器测试使用矢量网络分析仪对传感器的有效性进行验证。为了减小不必要的误差，应在测试之前对矢量网络分析仪进行校准。考虑到溶液介电常数受到温度的影响，应尽量保持待测溶液的温度恒定。图 7 是传感器的实际测试图。图 7传感器的实际测试图31乙醇溶液浓度的测量图 8(a)是不同浓度乙醇溶液的 S 曲线测试图，图8(b)是乙醇浓度和工作频率的拟合曲线。对溶液浓度和频率进行关系拟合，得到关系式为f1=1691 1+
15、0001 41X1+0000 006X21(4)式中:f1为加入乙醇溶液后的工作频率;X1为乙醇溶液的浓度。20Instrument Technique and SensorFeb2023(a)不同浓度乙醇溶液的 S 曲线(b)乙醇浓度和频率的关系曲线图 8乙醇溶液的测试结果表2 是不同浓度乙醇溶液的测量结果与拟合结果的对比表。验证了传感器对溶液测量的准确性。表 2乙醇溶液的测量结果和拟合结果的对比乙醇浓度/%理论频率/GHz测量频率/GHz频率误差/MHz浓度误差/%101706170600301739173452750177717716287018191816314901867187031
16、4由表 2 数据可知，传感器对不同浓度的乙醇溶液测量时，频率误差小于 6 MHz，浓度误差小于 3%。32葡萄糖溶液浓度的测量为了验证该传感器对不同类型溶液的检测能力，增加了对不同浓度葡萄糖溶液的测量。图9 是葡萄糖溶液的测量结果图。根据测试数据对葡萄糖溶液浓度和传感器频率进行关系拟合，得到关系式:f2=1691 1+0001 41X2+0000 006X22(5)式中:f2为加入葡萄糖溶液后的工作频率;X2为葡萄糖溶液的浓度。将多组不同浓度的葡萄糖溶液测量结果代入到(a)不同浓度葡萄糖溶液的 S 曲线(b)葡萄糖浓度和频率的关系曲线图 9葡萄糖溶液的测试结果式(5)中，得出传感器对葡萄糖溶液的测量误差小于 6mg/mL。对葡萄糖溶液浓度的检测也说明了传感器可以普遍适用于不同类型溶液的检测，且具有很好的检测灵敏度。33溶液体积对测量结果的影响实验中向微流体通道加入溶液的体积将会对测量结果产生很大影响。通过设备向微流体通道中每次加入3 L 的乙醇溶液，绘制出的传感器工作频率和微流体通道中的溶液体积关系图，如图 10 所示。图 10溶液体积对测量结果的影响由图10 可知，曲线斜率随着加载的
