基于微波傳感器的微流控設(shè)計方案改進(jìn)研究*

陳玉婷，梁峻閣，吳佳糠，王 曉，顧曉峰

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

微流控系統(tǒng)具有生物相容性好、污染少、檢測試劑消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在生物、化學(xué)、環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用等方面得到了廣泛的關(guān)注[1-4]。 基于微流控的微波檢測技術(shù)作為一種新興的溶液類檢測方案，在微型化、非接觸、可重復(fù)使用和降低樣品使用量等方面體現(xiàn)了顯著優(yōu)勢[5-8]。

微波傳感器被廣泛設(shè)計并應(yīng)用于乙醇濃度檢測領(lǐng)域，大量研究團(tuán)隊(duì)提出結(jié)合微流控和微波檢測的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)高精度乙醇溶液信息檢測[9-11]。 一種負(fù)載互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complementary Split Ring Resonators，CSRR)的貼片天線結(jié)構(gòu)集成聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)微流控通道用于檢測不同濃度的乙醇溶液[12]。 基于開口諧振環(huán)(Split Ring Resonators，SRR)的完全集成的PDMS 微流體傳感器[13]被用來確定乙醇水溶液樣品的復(fù)介電常數(shù)。 由雙分裂環(huán)諧振器( Double Split Ring Resonators，DSRRs)組成的陣列傳感器結(jié)合微流控實(shí)現(xiàn)了對乙醇水溶液樣品復(fù)介電常數(shù)的檢測[14]。

微流控通道設(shè)計對傳感器的靈敏度有著重要影響，并決定了樣本耗液量。 在CSRR 中采用彎曲微流控通道[15]，能實(shí)現(xiàn)高靈敏度溶液濃度檢測。 人工等離子體表面激元結(jié)構(gòu)微波生物傳感器[16]，實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖溶液的檢測。 在SRR 分裂區(qū)域放置長方形微流控通道[17]可提升乙醇濃度檢測的靈敏度。上述文獻(xiàn)更多關(guān)注從微波傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計層面改善檢測特性，但很少考慮微流控通道對檢測性能的影響。 通過調(diào)整微流控通道的寬度和高度可提升傳感器的靈敏度[18]，但微流控通道路徑設(shè)計對靈敏度的影響仍需進(jìn)一步研究。 鑒于此，本文提出一種耦合CSRR 結(jié)構(gòu)的微波傳感器，探究CSRR 邊界微通道、金屬間隙微通道、金屬區(qū)域微通道以及蛇形線微通道對微波傳感器檢測乙醇溶液濃度靈敏度的影響。

本文提出的改進(jìn)型CSRR 微波微流控傳感器結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對微量溶液濃度的非接觸式檢測。 文章第2 部分主要討論了微波傳感器和微流控通道的設(shè)計與優(yōu)化。 第3 部分主要講述了微波傳感器以及PDMS 微流控通道的加工以及本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)平臺的搭建。 在文章第4 部分，使用CSRR 邊界微通道、金屬間隙微通道、金屬區(qū)域微通道以及蛇形線微通道結(jié)合微波傳感區(qū)域?qū)?～80%范圍的乙醇溶液進(jìn)行測量，并基于頻率、回波損耗、幅值以及相位對乙醇濃度進(jìn)行表征并討論檢測機(jī)理。

1 微波微流控傳感器的設(shè)計

本文提出的微流控微波傳感器如圖1 所示，由微波傳感器、粘連層和微流控通道共三層組成，其中底層的微波傳感器作為檢測電極，頂層是由PDMS制作而成的微流控通道，PDMS 厚度為2.2 mm，微流控通道深35 μm，粘連層選用聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，PET)作為中間層連接微流控通道和微波傳感器，其厚度為48 μm。 使用注射器將乙醇溶液通過毛細(xì)管注入微流控通道中，由于不同濃度的乙醇溶液介電特性不同，乙醇溶液與微波傳感器產(chǎn)生的電磁場相互作用使得諧振特性發(fā)生變化，進(jìn)而用于表征乙醇溶液濃度。

圖1 負(fù)載CSRR 的三層微波微流控傳感器示意圖

1.1 微波CSRR 諧振傳感單元設(shè)計

本文使用有限元高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件進(jìn)行設(shè)計仿真。 如圖2(a)所示，底層的微波傳感器可分為圖案化金屬層、襯底層和部分地結(jié)構(gòu)。 圓環(huán)形微帶線與CSRR 組合得到圖案化的銅金屬層(圖2(b))，厚度為0.034 mm。 50 Ω 的SMA(Sub Miniature version A)與1.4 mm 寬(w1)的微帶線支節(jié)相連實(shí)現(xiàn)單端口饋電。 襯底材料選用Teflon 基板，厚度為0.44 mm，介電常數(shù)值為2.54，損耗角正切為0.002。 部分地結(jié)構(gòu)抑制來自常規(guī)地平面邊緣的面波繞射，減少了微波傳感器背部的反射，如圖3(b)所示，當(dāng)LS＝17.3 mm時阻抗匹配最好。 圖2(c)展示了該結(jié)構(gòu)的等效電路模型，諧振頻率可表示為

圖2 微波傳感器設(shè)計及等效電路圖

式中:CC為微帶線與CSRR 之間的耦合電容，CR和LR分別為CSRR 的有效電容和電感，LM為微帶線的等效電感。

為優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取微波傳感器的特征尺寸r、Ls和w2進(jìn)行仿真分析。 如圖3(a)所示，隨著r的增大，耦合電容極板距離減小，由式(1)可知電容CC增大，導(dǎo)致諧振頻率向低頻移動。 延長接地板的長度Ls，如圖3(b)所示，微波傳感器的磁通量減小，即式(1)中有效電感LR減小，從而諧振頻率向高頻移動。w2的增加使得有效電容CR減小，進(jìn)而增大了微波傳感器的諧振頻率(圖3(c))。 通過調(diào)節(jié)微波傳感器的特征尺寸r、Ls和w2可改善該微波傳感器的阻抗匹配，得到較高的回波損耗幅值。優(yōu)化后的微波傳感器的具體物理尺寸如表1 所示。

圖3 微波傳感器的特征尺寸分析

表1 微波傳感器參數(shù)

1.2 PDMS 微流控通道設(shè)計

為了提高微波傳感器的靈敏度，設(shè)計時應(yīng)將微流控通道精確定位在微波檢測單元的敏感區(qū)域，使注入通道的液體與電磁信號充分相互作用。 對微波傳感器進(jìn)行電場及磁場仿真，如圖4 所示，電場主要集中在CSRR 金屬外圈上，磁場強(qiáng)度主要分布在CSRR 的中心。

圖4 微波傳感器空間電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度示意圖

為了探究微流控通道的形狀對微波傳感器檢測靈敏度的影響，本文設(shè)計了CSRR 邊界、金屬間隙、金屬區(qū)域和蛇形線等四種不同的微流控通道，如圖5所示。 微流控通道的寬度和高度將會對微波傳感器的性能產(chǎn)生一定的影響，由于制造工藝的限制，通道高度確定為35 μm，為了配合器件尺寸實(shí)現(xiàn)對比實(shí)驗(yàn)，將微流控通道的最小寬度確定為0.5 mm。微流控結(jié)構(gòu)中儲液槽的直徑均為2 mm，與儲液槽相連的長方形微流控通道寬度均為0.5 mm。 在微流控兩個儲液槽處打孔，放入毛細(xì)管，作為進(jìn)液管和出液管，使用注射器注入待測液體。 儲液槽能夠存儲一些液體，以便為液體進(jìn)出提供緩沖地帶。

①CSRR 邊界微通道:如圖5(a)所示，圓環(huán)形通道覆蓋了CSRR 結(jié)構(gòu)中的金屬與金屬間隙邊界，內(nèi)外圓環(huán)形通道寬均為0.5 mm，參考圖4 的電磁場分布可知，這一設(shè)計目的是規(guī)劃微流控通道，進(jìn)而分析諧振電極金屬與基板交界處的電磁效應(yīng)對器件靈敏度的影響。

②金屬間隙微通道:如圖5(b)所示，將圓環(huán)形微流控通道設(shè)置在金屬間隙區(qū)域，其中外部圓環(huán)形溝道寬度為0.5 mm，內(nèi)部圓環(huán)形通道寬度為0.8 mm。 這一設(shè)計目的是使微流控通道覆蓋耦合區(qū)域以分析傳感性能。

③金屬區(qū)域微通道:由圖4(a)可知，電場強(qiáng)度主要集中在CSRR 金屬圖案上，其中外圈環(huán)形以及內(nèi)部圓形區(qū)域的外圈電場強(qiáng)度最高。 將通道覆蓋在CSRR 金屬圖案電場強(qiáng)度集中的區(qū)域，如圖5(c)所示，其中內(nèi)外圓環(huán)形溝道的寬度均為0.8 mm，目的是驗(yàn)證是否電場強(qiáng)度高的地方更適合作為傳感區(qū)域。

④蛇形線微通道:設(shè)置橫跨CSRR 結(jié)構(gòu)的蛇形線微流控通道以分析電場與磁場共同作用下的檢測性能，考慮到CSRR 結(jié)構(gòu)的對稱性，蛇形線微通道也設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，如圖5(d)所示，其中溝道的寬以及比較集中的彎曲通道的間隙均為0.5 mm。

圖5 微流控通道四種設(shè)計

在有限元高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件中對提出的四種微流控通道進(jìn)行平面電場仿真，通道內(nèi)的液體為水(介電常數(shù)為81)。 如圖6 所示，蛇形線微通道的電場強(qiáng)度最高可達(dá)到5 000 V/m，CSRR 邊界微通道的電場強(qiáng)度次之，約為4 000 V/m，金屬間隙微通道和金屬區(qū)域微通道的電場強(qiáng)度較為稀疏。

圖6 四種微流控通道中加入水后電場強(qiáng)度分布

2 微波微流控傳感器測試平臺的搭建

利用濕法刻蝕技術(shù)制備微波傳感器，器件尺寸為26 mm×20 mm。 用倒模的方法制作微流控通道，PDMS 的寬度與器件寬度一致，由于需要預(yù)留SMA接口位置，PDMS 的長度與器件相比略小。 上層微流控通道與底層傳感器電極進(jìn)行鍵合時，只需將兩者頂部對準(zhǔn)即可。 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，圖7 是微波傳感器仿真與測量結(jié)果的對比圖，測量和模擬之間的偏差，如回波損耗和諧振頻率，是由襯底介質(zhì)損耗和金屬損耗[19]以及工藝等帶來的常規(guī)器件公差。

圖7 微波傳感器仿真與測試曲線對比圖

微流控微波傳感器的測試平臺如圖8 所示，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer，VNA，N9923A，Agilent)，微量注射泵(ET-2535H，北京永康樂業(yè))等組成，以0.005 mL/min 的固定速度推注射器使乙醇溶液緩慢通過進(jìn)液管導(dǎo)入微流控通道。當(dāng)微流控通道充滿乙醇溶液后，停止注射泵工作，允許多余溶液從出液管溢出。 導(dǎo)入的乙醇溶液使得微流控通道的復(fù)介電特性發(fā)生變化，進(jìn)而表現(xiàn)為散射參數(shù)S的變化。 此外，為了降低測量誤差，在每次測量前使用去離子水對微流控通道進(jìn)行沖洗，并通入空氣干燥。

圖8 微波微流控傳感器測量平臺

3 微波微流控傳感器的測量結(jié)果

配置不同濃度的乙醇溶液，梯度設(shè)為20%，得到0、20%、40%、60%和80%五種樣品。 將不同微流控通道分別放置于微波檢測單元上，在保證微流控通道高度(35 μm)與通道內(nèi)容納溶液體積(2 μL)一定的前提下，測量不同濃度乙醇溶液的回波損耗S11(圖9)，當(dāng)引入樣品時，電磁邊界條件改變，因此諧振頻率和回波損耗幅值會發(fā)生變化。 隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)(Alcohol By Volume，ABV)的增加，乙醇溶液的相對介電常數(shù)下降，導(dǎo)致諧振頻率增加，同時溶液極化程度減小，介電損耗增加，回波損耗的幅值減小。

圖9 四種微流控通道對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)

其檢測靈敏度S可表示為

式中:Δτ表示頻率f、回波損耗S11幅值以及相位的變化量，ΔABV 代表乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化量。 當(dāng)用頻率表示靈敏度時，式(2)代表每百分之一乙醇體積分?jǐn)?shù)引起的諧振頻率的偏移；當(dāng)用回波損耗幅值表示靈敏度時，式(2)代表每百分之一乙醇體積分?jǐn)?shù)引起的回波損耗幅值的改變；當(dāng)用相位表示靈敏度時，式(2)代表每百分之一乙醇體積分?jǐn)?shù)引起的相位的改變。

3.1 頻移分析

基于四種微流控通道，測試不同濃度乙醇溶液的諧振頻率，在電場作用下，乙醇水溶液中的分子發(fā)生極化，偶極矩增加，介電常數(shù)增加，等效電容增大，導(dǎo)致諧振模向低頻移動。 使用諧振頻率進(jìn)行檢測時，乙醇濃度越高，介電常數(shù)相對越小，諧振模會隨乙醇溶液濃度的增加向高頻移動。 如圖10(a)所示，點(diǎn)代表原始數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖中的線段所示，R2的值均大于0.964，表明四種設(shè)計的諧振頻率均隨乙醇溶液濃度呈線性變化。 當(dāng)乙醇濃度從0 增加到80%，加載CSRR 邊界微通道、金屬間隙微通道、金屬區(qū)域微通道以及蛇形線微通道的微波傳感器的頻移響應(yīng)分別為10.1 MHz、16.5 MHz、2.4 MHz 和18 MHz，由式(2)計算得到其相應(yīng)的基于頻移的靈敏度S分別為 0. 126 MHz/%、0.206 MHz/%、0.03 MHz/%、0.225 MHz/%。 基于蛇形線微通道的微波傳感器表現(xiàn)出最高的檢測靈敏度，這歸因于通入液體后蛇形線微通道區(qū)域聚集了較高的電場強(qiáng)度(圖6(d))。 CSRR 邊界微通道聚集電場的能力較蛇形線微通道弱一些，檢測靈敏度低于蛇形線微通道。 微流控通道聚集電場能力越強(qiáng)，單位乙醇溶液濃度引起的頻移越大。 金屬間隙作為傳感區(qū)域盡管束縛電場的能力不強(qiáng)，但依然表現(xiàn)出了較高的檢測靈敏度。

3.2 回波損耗幅值分析

針對不同微流控通道，對比不同乙醇溶液濃度的回波損耗的幅值，如圖10(b)所示，點(diǎn)代表原始數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖中的線段所示，R2的值均大于0.954，表明回波損耗幅值隨乙醇溶液濃度呈線性變化。 回波損耗的變化是由溶液內(nèi)部產(chǎn)生的電導(dǎo)損耗決定的，在電場作用下，乙醇溶液的濃度越高，損耗的電能越多，即加劇了微波諧振器的損耗，導(dǎo)致回波損耗幅值的減小。 隨著乙醇濃度的提高，回波損耗的幅值分別變化了13.14 dB、13.46 dB、12.84 dB 和10.84 dB，其相應(yīng)的靈敏度S分別為0.164 dB/%、0.168 dB/%、0.161 dB/%、0.136 dB/%?；诩虞dCSRR 邊界微通道、金屬間隙微通道和金屬區(qū)域微通道的微波傳感器，其檢測靈敏度差異較小，加載蛇形線微通道的檢測靈敏度略低于其他三種微通道，表明微通道結(jié)構(gòu)對基于回波損耗幅值的影響較小。

圖10 數(shù)據(jù)對比

3.3 相位分析

如圖11 所示，相位隨乙醇濃度改變發(fā)生偏移，提取最大相位，并對其進(jìn)行線性擬合。 如圖11(c)所示，擬合后R2均大于0.94，表明相位隨乙醇溶液濃度的變化呈線性關(guān)系。 乙醇濃度從0 增加到80%，最大相位分別變化了23.57 °、32.13 °、18.95 °以及29.33 °， 相位靈敏度S分別為0.295 °/%、0.402 °/%、0.237 °/%、0.367 °/%。 四種情況下，最大相位均發(fā)生了明顯改變，其中金屬間隙微通道的最大相位變化最大，其次是蛇形線微通道。

圖11 相位隨乙醇濃度的變化

表2 與其他乙醇傳感器相比較

4 總結(jié)

本文提出一種結(jié)合CSRR 和圓環(huán)形微帶線結(jié)構(gòu)的微波諧振器，利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對0～80%范圍的乙醇溶液的非接觸檢測。 總的來說，當(dāng)使用頻移來表征傳感器的靈敏度時，蛇形線微通道能夠聚集更強(qiáng)的電場，頻移最大；當(dāng)使用幅值和相位來表征傳感器的靈敏度時，金屬間隙微通道表現(xiàn)出最高的靈敏度。 比較類似工作(見表(2))，本文使用了多參數(shù)方案表征微波傳感器的性能，并且通過設(shè)計不同的微流控通道，使微波傳感器的檢測靈敏度得到了提升。