Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

In-Situ Self-Aligned NaCl-Solution Fluidic-Integrated Microwave Sensors for Industrial and Biomedical Applications

  • 1. King Mongkut's University of Technology North Bangkok
  • 2. Rajamangala University of Technology Lanna
  • 3. Huawei Technologies (Sweden)
  • 4. University of Leeds

Description

This work presents, for the first time, an in-situ self-aligned fluidic-integrated microwave sensor for characterizing NaCl contents in NaCl-aqueous solution based on a 16-GHz bandpass combline cavity resonator. The discrimination of the NaCl concentration is achievable by determining amplitude differences and resonant frequency translations between the incident and reflected microwave signals at the input terminal of the cavity resonator based on the capacitive loading effects of the comb structure inside the cavity introduced by the NaCl solution under test. Twelve NaCl-aqueous liquid mixture samples with different NaCl concentrations ranging from 0% to 20% (0 - 200 mg/mL), which are generally exploited in most industrial and biomedical applications, were prepared and encapsulated inside a Teflon tube performing as a fluidic channel. The Teflon tube is subsequently inserted into the cavity resonator through two small holes, fabricated through the sidewalls of the cavity, which can be used to automatically align the fluidic subsystem inside the combline resonator considerably easing the sensor setup. Based on at least five repeated measurements, the NaCl sensor can discriminate the NaCl content of as low as 1% with the measurement accuracy of higher than 96% and the maximum standard deviation of only 0.0578. There are several significant advantages achieved by the novel NaCl sensors, e.g. high accuracy, traceability and repeatability; ease of sensor setup and integration to actual industrial and biomedical systems enabling in-situ and real-time measurements; noninvasive and noncontaminative liquid solution characterization as well as superior sensor reusability due to a complete physical separation between the fluidic and microwave subsystems.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يقدم هذا العمل، لأول مرة، مستشعر ميكروويف مدمج ذاتي المحاذاة في الموقع لتمييز محتويات كلوريد الصوديوم في محلول كلوريد الصوديوم المائي بناءً على مرنان تجويف خط تمرير نطاقي 16 جيجاهرتز. يمكن تحقيق تمييز تركيز كلوريد الصوديوم من خلال تحديد اختلافات السعة وترجمات التردد الرنانة بين إشارات الموجات الدقيقة الساقطة والمنعكسة في طرف الإدخال لجهاز رنين التجويف بناءً على تأثيرات التحميل السعوي لهيكل المشط داخل التجويف الذي أدخله محلول كلوريد الصوديوم قيد الاختبار. تم تحضير وتغليف اثنتي عشرة عينة من خليط سائل كلوريد الصوديوم بتركيزات كلوريد الصوديوم المختلفة التي تتراوح من 0 ٪ إلى 20 ٪ (0 - 200 مجم/مل)، والتي يتم استغلالها بشكل عام في معظم التطبيقات الصناعية والطبية الحيوية، داخل أنبوب تفلون يعمل كقناة سائلة. يتم بعد ذلك إدخال أنبوب تفلون في مرنان التجويف من خلال ثقبين صغيرين، يتم تصنيعهما من خلال الجدران الجانبية للتجويف، والتي يمكن استخدامها لمحاذاة النظام الفرعي السائل تلقائيًا داخل مرنان خط التمشيط مما يسهل بشكل كبير إعداد المستشعر. استنادًا إلى خمسة قياسات متكررة على الأقل، يمكن لمستشعر كلوريد الصوديوم أن يميز محتوى كلوريد الصوديوم بنسبة منخفضة تصل إلى 1 ٪ مع دقة قياس أعلى من 96 ٪ والانحراف المعياري الأقصى 0.0578 فقط. هناك العديد من المزايا المهمة التي حققتها مستشعرات كلوريد الصوديوم الجديدة، مثل الدقة العالية وإمكانية التتبع والتكرار ؛ سهولة إعداد المستشعر والتكامل مع الأنظمة الصناعية والطبية الحيوية الفعلية التي تمكن من إجراء القياسات في الموقع وفي الوقت الفعلي ؛ توصيف محلول سائل غير غازي وغير ملوث بالإضافة إلى إعادة استخدام المستشعر بشكل فائق بسبب الفصل المادي الكامل بين الأنظمة الفرعية للسوائل والموجات الدقيقة.

Translated Description (French)

Ce travail présente, pour la première fois, un capteur micro-ondes à intégration fluidique auto-aligné in situ pour caractériser les teneurs en NaCl dans une solution aqueuse de NaCl basée sur un résonateur à cavité en peigne passe-bande de 16 GHz. La discrimination de la concentration de NaCl est réalisable en déterminant les différences d'amplitude et les translations de fréquence de résonance entre les signaux micro-ondes incidents et réfléchis à la borne d'entrée du résonateur à cavité en fonction des effets de charge capacitive de la structure en peigne à l'intérieur de la cavité introduite par la solution de NaCl testée. Douze échantillons de mélange liquide aqueux de NaCl avec différentes concentrations de NaCl allant de 0 % à 20 % (0 - 200 mg/mL), qui sont généralement exploités dans la plupart des applications industrielles et biomédicales, ont été préparés et encapsulés à l'intérieur d'un tube en téflon fonctionnant comme un canal fluidique. Le tube en téflon est ensuite inséré dans le résonateur à cavité à travers deux petits trous, fabriqués à travers les parois latérales de la cavité, qui peuvent être utilisés pour aligner automatiquement le sous-système fluidique à l'intérieur du résonateur en peigne, ce qui facilite considérablement la configuration du capteur. Sur la base d'au moins cinq mesures répétées, le capteur de NaCl peut discriminer la teneur en NaCl aussi faible que 1 % avec une précision de mesure supérieure à 96 % et un écart type maximum de seulement 0,0578. Les nouveaux capteurs NaCl présentent plusieurs avantages significatifs, par exemple une précision, une traçabilité et une répétabilité élevées ; une facilité de configuration et d'intégration des capteurs aux systèmes industriels et biomédicaux réels permettant des mesures in situ et en temps réel ; une caractérisation des solutions liquides non invasives et non contaminantes ainsi qu'une réutilisation supérieure des capteurs en raison d'une séparation physique complète entre les sous-systèmes fluidiques et micro-ondes.

Translated Description (Spanish)

Este trabajo presenta, por primera vez, un sensor de microondas integrado fluídico autoalineado in situ para caracterizar el contenido de NaCl en solución acuosa de NaCl basado en un resonador de cavidad combinada de paso de banda de 16 GHz. La discriminación de la concentración de NaCl se puede lograr determinando las diferencias de amplitud y las traslaciones de frecuencia resonante entre las señales de microondas incidentes y reflejadas en el terminal de entrada del resonador de cavidad en función de los efectos de carga capacitiva de la estructura de peine dentro de la cavidad introducida por la solución de NaCl bajo prueba. Se prepararon doce muestras de mezcla líquida acuosa de NaCl con diferentes concentraciones de NaCl que varían de 0% a 20% (0 - 200 mg/mL), que generalmente se explotan en la mayoría de las aplicaciones industriales y biomédicas, y se encapsularon dentro de un tubo de teflón que funciona como un canal fluídico. El tubo de teflón se inserta posteriormente en el resonador de la cavidad a través de dos pequeños orificios, fabricados a través de las paredes laterales de la cavidad, que se pueden utilizar para alinear automáticamente el subsistema fluídico dentro del resonador combinado, lo que facilita considerablemente la configuración del sensor. Basándose en al menos cinco mediciones repetidas, el sensor de NaCl puede discriminar el contenido de NaCl de tan solo el 1% con una precisión de medición superior al 96% y una desviación estándar máxima de solo 0,0578. Hay varias ventajas significativas logradas por los nuevos sensores de NaCl, por ejemplo, alta precisión, trazabilidad y repetibilidad; facilidad de configuración del sensor e integración con sistemas industriales y biomédicos reales que permiten mediciones in situ y en tiempo real; caracterización de soluciones líquidas no invasivas y no contaminantes, así como una reutilización superior del sensor debido a una separación física completa entre los subsistemas fluídico y de microondas.

Files

09226413.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5131a5f48d7ad2f679a0d43a7612082c
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مستشعرات ميكروويف مدمجة في محلول كلوريد الصوديوم ذاتية المحاذاة في الموقع للتطبيقات الصناعية والطبية الحيوية
Translated title (French)
Capteurs à micro-ondes intégrés fluides à solution de NaCl auto-alignés in situ pour applications industrielles et biomédicales
Translated title (Spanish)
Sensores de microondas integrados en fluidos de solución de NaCl autoalineados in situ para aplicaciones industriales y biomédicas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3093808409
DOI
10.1109/access.2020.3031864

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W2005296435
  • https://openalex.org/W2058634530
  • https://openalex.org/W2059381503
  • https://openalex.org/W2067903652
  • https://openalex.org/W2119330301
  • https://openalex.org/W2135475342
  • https://openalex.org/W2136405402
  • https://openalex.org/W2138787476
  • https://openalex.org/W2150274144
  • https://openalex.org/W2152094941
  • https://openalex.org/W2156700621
  • https://openalex.org/W2161448613
  • https://openalex.org/W2170700281
  • https://openalex.org/W2313595661
  • https://openalex.org/W2513075044
  • https://openalex.org/W2535689151
  • https://openalex.org/W2546654162
  • https://openalex.org/W2622108828
  • https://openalex.org/W2751632613
  • https://openalex.org/W2767243306
  • https://openalex.org/W2782478685
  • https://openalex.org/W2786730186
  • https://openalex.org/W2803213393
  • https://openalex.org/W2804587418
  • https://openalex.org/W2889065084
  • https://openalex.org/W2891262528
  • https://openalex.org/W2901235047
  • https://openalex.org/W2907147781
  • https://openalex.org/W2907684672
  • https://openalex.org/W2968343435
  • https://openalex.org/W2969611317
  • https://openalex.org/W2971993550
  • https://openalex.org/W2988034463
  • https://openalex.org/W3000167862
  • https://openalex.org/W3006585878
  • https://openalex.org/W3011417479
  • https://openalex.org/W3018331435