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(wú)錫 214122)

微流控系統(tǒng)具有生物相容性好、污染少、檢測(cè)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(cè)技術(shù)作為一種新興的溶液類(lèi)檢測(cè)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(shì)[5-8]。

微波傳感器被廣泛設(shè)計(jì)并應(yīng)用于乙醇濃度檢測(cè)領(lǐng)域，大量研究團(tuán)隊(duì)提出結(jié)合微流控和微波檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高精度乙醇溶液信息檢測(cè)[9-11]。 一種負(fù)載互補(bǔ)開(kāi)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(cè)不同濃度的乙醇溶液[12]。 基于開(kāi)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(lái)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(duì)乙醇水溶液樣品復(fù)介電常數(shù)的檢測(cè)[14]。

微流控通道設(shè)計(jì)對(duì)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(cè)。 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(duì)葡萄糖溶液的檢測(cè)。 在SRR 分裂區(qū)域放置長(zhǎng)方形微流控通道[17]可提升乙醇濃度檢測(cè)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(jì)層面改善檢測(cè)特性，但很少考慮微流控通道對(duì)檢測(cè)性能的影響。 通過(guò)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(jì)對(duì)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(duì)微波傳感器檢測(cè)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(duì)微量溶液濃度的非接觸式檢測(cè)。 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(jì)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(tái)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(cè)量，并基于頻率、回波損耗、幅值以及相位對(duì)乙醇濃度進(jìn)行表征并討論檢測(cè)機(jī)理。

1 微波微流控傳感器的設(shè)計(jì)

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(cè)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(jì)

本文使用有限元高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)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(jì)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(jì)，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(dòng)。 延長(zhǎng)接地板的長(zhǎng)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(dòng)。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(guò)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(jì)

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

圖4 微波傳感器空間電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度示意圖

為了探究微流控通道的形狀對(duì)微波傳感器檢測(cè)靈敏度的影響，本文設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)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(duì)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(chǔ)液槽的直徑均為2 mm，與儲(chǔ)液槽相連的長(zhǎng)方形微流控通道寬度均為0.5 mm。 在微流控兩個(gè)儲(chǔ)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(cè)液體。 儲(chǔ)液槽能夠存儲(chǔ)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(chǎng)分布可知，這一設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度最高。 將通道覆蓋在CSRR 金屬圖案電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)與磁場(chǎng)共同作用下的檢測(cè)性能，考慮到CSRR 結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，蛇形線微通道也設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)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(jì)

在有限元高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件中對(duì)提出的四種微流控通道進(jìn)行平面電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)到5 000 V/m，CSRR 邊界微通道的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度較為稀疏。

圖6 四種微流控通道中加入水后電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2 微波微流控傳感器測(cè)試平臺(tái)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(zhǎng)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(shí)，只需將兩者頂部對(duì)準(zhǔn)即可。 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，圖7 是微波傳感器仿真與測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖，測(cè)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(lái)的常規(guī)器件公差。

圖7 微波傳感器仿真與測(cè)試曲線對(duì)比圖

微流控微波傳感器的測(cè)試平臺(tái)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(lè)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(guò)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(cè)量誤差，在每次測(cè)量前使用去離子水對(duì)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(cè)量平臺(tái)

3 微波微流控傳感器的測(cè)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(cè)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(cè)量不同濃度乙醇溶液的回波損耗S11(圖9)，當(dāng)引入樣品時(shí)，電磁邊界條件改變，因此諧振頻率和回波損耗幅值會(huì)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(duì)介電常數(shù)下降，導(dǎo)致諧振頻率增加，同時(shí)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(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)

其檢測(cè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(cè)試不同濃度乙醇溶液的諧振頻率，在電場(chǎng)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(dòng)。 使用諧振頻率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，乙醇濃度越高，介電常數(shù)相對(duì)越小，諧振模會(huì)隨乙醇溶液濃度的增加向高頻移動(dòng)。 如圖10(a)所示，點(diǎn)代表原始數(shù)據(jù)，對(duì)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(jì)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(jì)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(cè)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(chǎng)強(qiáng)度(圖6(d))。 CSRR 邊界微通道聚集電場(chǎng)的能力較蛇形線微通道弱一些，檢測(cè)靈敏度低于蛇形線微通道。 微流控通道聚集電場(chǎng)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(chǎng)的能力不強(qiáng)，但依然表現(xiàn)出了較高的檢測(cè)靈敏度。

3.2 回波損耗幅值分析

針對(duì)不同微流控通道，對(duì)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(duì)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(chǎng)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(cè)靈敏度差異較小，加載蛇形線微通道的檢測(cè)靈敏度略低于其他三種微通道，表明微通道結(jié)構(gòu)對(duì)基于回波損耗幅值的影響較小。

圖10 數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)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(duì)0～80%范圍的乙醇溶液的非接觸檢測(cè)。 總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用頻移來(lái)表征傳感器的靈敏度時(shí)，蛇形線微通道能夠聚集更強(qiáng)的電場(chǎng)，頻移最大；當(dāng)使用幅值和相位來(lái)表征傳感器的靈敏度時(shí)，金屬間隙微通道表現(xiàn)出最高的靈敏度。 比較類(lèi)似工作(見(jiàn)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(guò)設(shè)計(jì)不同的微流控通道，使微波傳感器的檢測(cè)靈敏度得到了提升。