【摘 要】
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射频传感器因其可以实现无损和快速检测常被应用于生命科学领域。特别是2019年新冠疫情爆发以来,快速检测病毒及其相关产物的介电特性对抑制疫情的传播和辅助疫苗的研发都有极大帮助。常用于检测微流体介电特性弱变化的抵消型传感器存在的问题是有调谐装置的传感器因采用独立器件调谐而整体体积过大不便于集成,没有调谐装置的传感器灵敏度受限。鉴于曲折传输线拥有更集中的场分布,并且可以增加与微流体的接触面积,因此本文探
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射频传感器因其可以实现无损和快速检测常被应用于生命科学领域。特别是2019年新冠疫情爆发以来,快速检测病毒及其相关产物的介电特性对抑制疫情的传播和辅助疫苗的研发都有极大帮助。常用于检测微流体介电特性弱变化的抵消型传感器存在的问题是有调谐装置的传感器因采用独立器件调谐而整体体积过大不便于集成,没有调谐装置的传感器灵敏度受限。鉴于曲折传输线拥有更集中的场分布,并且可以增加与微流体的接触面积,因此本文探索将曲折传输线引入抵消型传感器来提高灵敏度和实现传感器的小型化设计。为评估曲折型传感器性能,同时设计了直线型传感器与之进行对比分析。本文对微带曲折传输线结构进行研究并结合抵消型传感器的设计原理来指导构建曲折型传感器的测量模型。借助该测量模型推导了曲折型传感器传输参数与微流体介电特性之间的关系式。在HFSS软件中构建了曲折型传感器的仿真模型,工作频率为10GHz。仿真结果表明,在空载情况下曲折型传感器在10.1271GHz处S2 1为-85.7273d B,经过去离子水校准之后,在10.0910GHz处S21参数可以达到-91.5715d B。仿真中曲折型传感器可以感知相对介电常数在10-2量级上的变化,而直线型只能探测10-1量级上的变化。即使在同一量级（?εr=0.1）,曲折型传感器也比直线型传感器仿真的S21参数变化明显16.91d B。同时仿真得到曲折型传感器的测量范围比直线型传感器更加集中,且在判定未知溶液摩尔分数上误判率更低。经过调谐腔体微调后,在实验测试中曲折型传感器空载下在9.9421GHz处S21为-84.86d B,用0.4μL无水甲醇校准后在9.67GHz处可以达到-87.75d B。与同样使用小型调谐装置的抵消型传感器相比,抵消效果改善了9d B以上,所需被测微流体体积减小了9.6μL。在测量无水乙醇和正丙醇的实验中,曲折型传感器测试的S21参数变化比直线型传感器S21参数变化分别大了20.99d B和16.61d B。甲醇-乙醇混合液定量分析实验中曲折型传感器测量混合液复介电常数的相对误差比直线型传感器低。曲折型传感器在小调谐腔体传感器设计中提高了性能,操作也更简单便捷。本文基于微带曲折传输线设计了一款抵消型传感器,并论证说明了该曲折传感器与传统的直线型传感器相比,拥有更高的灵敏度和更集中的测量范围,且测量准确度更高,传感器体积更小。该探测技术可以进一步应用于生物样品的检测上,为生物传感器提供一种更简洁方便的测试方式。
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