[发明专利]基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器

说明书

基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器,所述传感器具有叠合的上层盖板和下层底板，所述上层盖板和下层底板均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层；在上层盖板和下层底板之间左右并排形成有两个谐振腔单体，每个所述谐振腔单体中均嵌入有微流控芯片，所述两个衬底集成波导重入式谐振腔单体并联，并由功分器串联连接。本发明基于差分结构组态将微流控芯片嵌入衬底集成波导重入式谐振腔中，利用差分结构对环境干扰的补偿、重入式谐振腔电场高度集中及微流控芯片可精准控制微量流体的优点，获得一个受干扰小、非侵入式、易于与其他平面电路集成的高灵敏度高精度传感器。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及适用于检测液态媒质的微波传感器。

背景技术

当前对液态媒质的微波传感检测方法通常分为非谐振传输法和谐振法，相较于非谐振传输法，谐振法具有Q值高、谐振频点可控等显著优点，通过利用其谐振频点偏移和散射参数相位幅度变化，能实现对媒质介电常数的精准测定。因此，基于微波谐振机理的检测技术方案成为研究热点，受到国内外学者的广泛关注。

然而随着现代检测技术的不断发展，微波传感测试系统趋于小型化、集成化，且对传感器的灵敏度和抗干扰性有了更高的要求。传统微波传感器有着体积大、测试灵敏度低、易受环境因素影响、会造成被测试品的污染和浪费等缺点，因而其广泛应用受到很大的限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出的一种基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器，用以实现传感器的小型化和平面化，通过差分式结构有效提高其对环境的抗干扰性，通过内部具有强电场区的衬底波导重入式谐振腔结构提高检测的灵敏度。进一步，通过嵌入在谐振腔内部的微流体芯片精准控制微量流体，通过设计螺旋结构有效提高传感器的灵敏度等性能指标，避免对被测试品的浪费和污染。

本发明的技术方案如下：

一种基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器，所述传感器具有叠合的上层盖板和下层底板，所述上层盖板和下层底板均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层。在上层盖板和下层底板之间左右并排形成有两个谐振腔单体，每个所述谐振腔单体中均嵌入有微流控芯片，所述两个衬底集成波导重入式谐振腔单体并联，并由功分器串联连接，形成差分式结构。

具体地，对于每个所述谐振腔单体，是在上层盖板和下层底板的中间介质层中制作一圈圆形分布的金属通孔，用以连接顶层与底层金属层，形成谐振腔单体的圆柱形金属壁。在圆柱形金属壁区域内，上层盖板自底层金属往上刻蚀至部分中间介质层形成圆柱形凹槽，用以嵌放所述微流控芯片，在下层底板自顶层金属往下刻蚀至部分中间介质层形成环形凹槽，外径与上层盖板的凹槽尺寸相同，位置相对，相互叠合，形成谐振腔，环形凹槽中心形成短路电容柱。

对于每个所述谐振腔单体，在上层盖板的上方均装有两个管座，用以被测液态媒质的注入与抽取。所述两个管座分别与微流控芯片的微流道的进出口相通，实现微流道和柔性导管的连通。

具体地，所述功分器有两个，位于谐振腔单体的两侧，制作在上层盖板的顶层金属上，为Wilkinson功分器，其三端口分别由微带线连入圆形金属环，其中端口一用以激励信号馈入，端口二和端口三功率等分，分别通过馈电线连接两个谐振腔单体，形成共面波导传输。

所述每个谐振腔单体的上层盖板的顶层金属层的左右两侧均有两条共面波导馈电线，用于激励信号的馈入。

进一步，所述短路电容柱区域内包含有金属通孔，用以连接短路电容柱的上层和下层金属，金属通孔半径均为0.5mm。

进一步，所述微流控芯片上的导流通道为螺旋结构，以增大被测液态媒质与诱导电场的相互作用面积。

本发明的有益效果具体如下：

1. 本发明基于差分结构组态设计传感器，可实现对周围环境干扰的有效补偿，极大地提高了测量结果的准确度。