[发明专利]基于衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波差分传感器

说明书

一种基于衬底集成波导双重入式谐振腔和微流控技术的微波差分传感器,包含两个谐振腔体和微流控芯片；两腔体均由叠合的上层盖板和下层底板构成。上层盖板和下层底板的中间介质层均包含数个金属通孔，连接顶层与底层金属层，第二层板的底层金属和第三层板的顶层金属蚀刻具有渐变外形的馈电线。每个腔体的内部有环形凹槽，中间形成电容柱，对应芯片微流道。两腔体分别作为传感和参考谐振腔。该传感器将两个重入式谐振器巧妙纵向结合，利用谐振腔间天然存在的金属壁以及特殊的激励方式，再结合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，形成一个结构紧凑、不受温度湿度等因素干扰、元器件相互独立、可用于液体介电表征的微波差分传感器。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体来说，是一种结合谐振腔和微流控技术的微波差分传感器。

背景技术

随着微波技术在众多行业(如军事、医学、食品、化工及气象学等领域)中的快速发展，各种类型的射频微波器件被逐渐开发和应用，同时由于这些高频器件所使用到的磁介质材料的电磁特性极大影响着设备器件的性能参数，因此对磁介质材料的电磁特性的研究很受重视。

用来测介电常数的方法有很多，主要分为谐振法和非谐振法，谐振法中最典型的方法是谐振腔法。大多数材料表征传感器都是将被测样品的介电常数变化转化为谐振频移，这种传感器的主要缺点是存在对环境因素（例如温度，差分等）的交叉敏感性，这些因素可能会引起传感器的不必要的测量误差和误校准。当环境条件引入共模效应时，采用差分测量是消除环境因素引起测量误差的一种有效方法。基于分频的微波差分传感器通常由两个传感元件组成，其中一个作为传感，另一个作为参考。在现有基于谐振原理的差分微波传感器中，基本存在着以下不足之处：两个传感元件之间的耦合降低了对小扰动的灵敏度；大多都是在水平方向进行谐振器的组合；为了避免传感元件之间的耦合采取的扩大元器件间距离的方法，使得整体结构的相对尺寸变得很大，也使得结构不够紧凑。

另外，简单地将作为参考和传感的两个谐振腔垂直放置难以解决馈电问题，因为普通共面波导馈电线不能纵向地为两腔体同时提供等功率，会造成两腔体本身就不平衡，而直接使用带状线，实际工艺无法得到较好的传输响应。本结构的设计在解决上述问题的同时，制造出了能对大的介电常数测量范围提供分辨率的微波传感器。

发明内容

本发明提出一种基于衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波差分传感器，该传感器由四层板结合构成两个上下重叠的谐振腔，结构十分紧凑。整个差分传感器以一个谐振腔作为参考，另一个作为传感测试腔体，能够消除环境因素引起的测量误差，准确地表征检测物的介电特性。同时，本发明利用两个基于衬底集成波导重入式谐振腔，两腔体之间具有良好的电磁屏蔽，避免传感元件之间的耦合，并采用特殊设计的馈电方式又大大地减少整个结构的相对尺寸。

本发明的技术方案如下：

一种基于衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波差分传感器，所述传感器包含两个上下重叠的衬底集成波导重入式谐振腔体和分别嵌入在所述谐振腔体中的两片微流控芯片。所述谐振腔体均由上层盖板和下层底板叠合构成，微流控芯片中间微流道均为螺旋状。

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三层结构，且每一层板的中间介质层的靠近边缘位置均分布有沿纵轴与横轴对称的数排金属通孔，连接顶层金属层与底层金属层，其目的是用以围成谐振腔的四面金属壁。

所述谐振腔体的上层盖板在金属壁围成的区域内自底层金属往上刻蚀至部分中间介质层形成凹槽，凹槽中嵌入所述微流控芯片；下层盖板自顶层金属往下刻蚀至部分中间介质层形成环槽，环槽外周与凹槽外周大小相同，两者共同构成一个谐振腔；所述环槽未刻蚀的中心区域设有阵列分布的金属通孔，形成电容柱。