Enhanced fluid characterization in the millimeter-wave band using Gap Waveguide Technology

Abstract

[EN] Microfluidic systems have been emerged as a promising technology for molecular analysis, biodefence and microelectronics. The properties of the microfluidic devices, such as rapid sample processing and the precise control of fluids, have made them attractive candidates to replace traditional experimental approaches. Microfluidic devices are characterized by fluidic channels with dimensions on the order of tens to hundreds of micrometers. Structures with this size enable the integration of lab-on-chip technology, which allows processing miniaturized devices for fluid control and manipulation.

Fluid sensing by microwave sensors based on the RF analysis offers new possibilities for the characterization of mediums by non-invasive methods. Dielectric measurement of fluids is important because it can provide the electric or magnetic characteristics of the materials, which proved useful in many research and development fields, such as molecular biology and medical diagnosis.

Several techniques are available in the frequency domain for analyzing the dielectric properties of liquids and their composition. We are focused in resonant cavity techniques for fluid characterization in the millimeter-wave range. However, these techniques are incompatible with lab-on-chip process due its dimensions in this frequency range. In this context, a new structure called gap waveguide appears as a good candidate to overcome the principal drawbacks of the classical resonant cavities.

This thesis presents the development of the gap waveguide technology in the millimeter-wave band. Other conventional technologies are discussed as well, to compare them with the performance in terms of losses of the gap waveguide. We also present the resonator design based on gap waveguide with the purpose of making the gap waveguide a technology capable of working in the microfluidic sensing domain. In this context, we propose a comparative study between gap waveguide and Substrate Integrated Cavity (SIC) with the aim to characterize the fluid permittivity at 60 GHz. With this purpose, several prototypes have been manufactured with PCB ("Printed Circuit Board") and Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technologies. A work in the LTCC laboratory has been done with the purpose of validating some steps in the LTCC process which are key in the gap waveguide manufacturing, especially those related with the creation of cavities (external and internal) using LTCC materials.

[ES] Los sistemas microfluídicos han emergido como una tecnología prometedora para el análisis molecular, biodefensa y microelectrónica. Las propiedades de los dispositivos microfluídicos tales como el procesamiento rápido de las muestras y el control de los fluidos, les han hecho atractivos candidatos para reemplazar los tradicionales métodos experimentales. Los dispositivos microfluídcos están caracterizados por canales fluídicos con dimensiones del orden de decenas a centenares de micrómetros. Las estructuras con estos tamaños permiten la integración de la tecnología "lab-on-chip", la cual permite el procesamiento de dispositivos miniaturizados para el control y la manipulación de fluidos.

La detección de fluidos a través de sensores de microondas basados en el análisis de radiofrecuencia ofrece nuevas posibilidades para la caracterización de medios a través de métodos no invasivos. Las medidas dieléctricas de los fluidos son importantes debido a que pueden proporcionar información las características eléctricas o magnéticas de los materiales, siendo útil en muchos campos de investigación y desarrollo tales como biología molecular o para realizar diagnósticos médicos.

En el dominio frecuencial, varias tecnologías están disponibles en el mercado para analizar las propiedades dieléctricas y la composición de los líquidos. En esta tesis, estamos enfocados en las técnicas basadas en cavidades resonantes para la caracterización de fluidos en el rango de las ondas milimétricas. Sin embargo, estas técnicas son incompatibles con los procesos "lab-on-chip" debido a sus dimensiones en esta banda de frecuencia. En este contexto, una nueva estructura guía onda denominada "gap waveguide" aparece como un buen candidato para solventar los principales inconvenientes de las clásicas cavidades resonantes.

En esta tesis se ha desarrollado la tecnología "gap waveguide" en la banda de ondas milimétricas. Otras tecnologías convencionales serán estudiadas para comparar el rendimiento de todas ellas en términos de pérdidas. También se presenta en esta tesis, el diseño de resonadores basados en la tecnología "gap waveguide" con el propósito de hacer esta tecnología compatible con la detección microfluídica. En este contexto, proponemos un estudio comparativo entre las tecnologías "gap waveguide" y "Substrate Integrated Cavity" (SIC) con el objetivo de caracterizar la permitividad de los fluidos a 60 GHz. Con este propósito, varios prototipos han sido fabricados usando las tecnologías PCB ("Printed Circuit Board") y LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un importante trabajo en el laboratorio LTCC se realizó para validar algunas de las etapas del proceso LTCC que eran la clave para la fabricación de prototipos basados en "gap waveguide", como la creación de cavidades (externas e internas) usando materiales LTCC.

[CA] Els sistemes microfluídics han emergit com una tecnologia prometedora per a l'anàlisi molecular, biodefensa i microelectrònica. Les propietats dels dispositius microfluídics com el processament ràpid de les mostres i control dels fluids, els han fet atractius candidats per a reemplaçar les tradicionals aproximacions experimentals. Els dispositius microfluídcs estan caracteritzats per canals fluídics amb dimensions de l'orde de desenes a centenars de micròmetres. Les estructures amb estes grandàries permeten la integració de la tecnologia "lab-on-chip", la qual permet el processament de dispositius miniaturitzats per al control i la manipulació de fluids.

La detecció de fluids a través de sensors de microones basats en l'anàlisi de radiofreqüència oferix noves possibilitats per a la caracterització de sistemes a través de mètodes no invasius. Les mesures dielèctriques dels fluids són importants pel fet que poden proporcionar informació sobre les característiques elèctriques o magnètiques dels materials, sent útil en molts camps d'investigació i desenvolupament com biologia molecular o per a realitzar diagnòstics.

En el domini freqüencial, diverses tecnologies estan disponibles en el mercat per analitzar les propietats dielèctriques i la composició dels líquids. En aquesta tesi, estem enfocats en les tècniques basades en cavitats ressonants per a la caracterització de fluids en el rang de les ones mil·limètriques. No obstant això, aquestes tècniques són incompatibles amb els processos "lab-on-chip" a causa de les seues dimensions en aquesta banda de freqüència. En aquest context, una nova estructura guia onda denominada "gap waveguide" apareix com un bon candidat per a resoldre els principals inconvenients de les clàssiques cavitats ressonants.

En aquesta tesi s'ha desenvolupat la tecnologia "gap waveguide" en la banda d'ones mil·limètriques. Altres tecnologies convencionals seran estudiades per a comparar el rendiment de totes elles en termes de pèrdues.També es presenta en esta tesi el disseny de ressonadors basats en la tecnologia "gap waveguide" amb el propòsit de fer esta tecnologia compatible amb la detecció microfluídica. En aquest context, proposem un estudi comparatiu entre les tecnologies "gap waveguide" i "Substrate Integrated Cavity" (SIC) amb l'objectiu de caracteritzar la permitivitat dels fluids a 60 GHz. Amb aquest propòsit, diversos prototips han sigut fabricats usant les tecnologies PCB ("Printed Circuit Board") i LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un important treball en el laboratori LTCC es va realitzar per a validar algunes de les etapes del procés LTCC que eren la clau per a la fabricació de prototips basats en "gap waveguide", com la creació de cavitats (externes i internes) usant materials LTCC.