CN109239465B - 基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器 - Google Patents

Abstract

基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器,包含衬底集成波导重入式谐振腔和嵌入在谐振腔中的微流控芯片。谐振腔由上层盖板和下层基座叠合组成。上层盖板与下层基座均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层，上层盖板的顶层金属层左右两侧各刻蚀有两条关于横轴对称的凹槽。上层盖板在中心区域有凹槽嵌入微流控芯片。上层盖板和下层基座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。下层基座有环形凹槽，中心形成电容柱。本发明将微流控芯片引入到衬底集成波导重入式谐振腔中，利用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，获得一个非侵入式、可重复使用、易于与其他平面电路集成的高灵敏度高精度传感器。

Description

基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及适用于测量液态媒质复介电常数的微波传感器。

背景技术

对液态媒质复介电常数的精准测量在各学科及工业领域都具有非常广泛的研究与应用。通过对液态媒质复介电常数的精准测量可实现对被测媒质品质及特定成分的快速准确鉴定。例如在食品加工及分级领域中通过测量牛奶等液态食品的复介电常数实现对食品的质量监测与分级；石油化工业中通过测量所开采原油样品的复介电常数以监测样品中的含水量。除此之外还有诸如生物医学领域测量血清中特定生物大分子的含量、环境污染治理领域中对水体污染的检测、化工业中对所生产化学试剂的纯度检测等都体现了精准测量液态媒质复介电常数的巨大应用潜力。

现有复介电常数测量方法主要可分为谐振法、自由空间传输法、同轴探针反射法等，相较于其他方法，谐振法因其所特有的高品质因数、高精度等优点得到了广泛的应用。然而随着现代检测技术的不断发展，测试系统趋于小型化、集成化，传统传感器结构因为体积庞大、造价昂贵、灵敏度低、不易于与其他平面电路集成等缺点受到了严重的应用限制。另一方面，为实现被测媒质与传感器诱导电场间的相互作用，传统方案通常将传感器直接浸入大量被测样品中，这不可避免地造成被测样品的污染与浪费。

发明内容

本发明提出一种基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器，目的是利用衬底集成波导技术实现传感器的小型化与平面化，解决现有传感器体积庞大、不利于加工与集成的技术问题。同时，本发明利用衬底集成波导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，通过设计蜿蜒形微流道有效提升传感器的传感灵敏度及检测分辨率等性能指标，以满足现代检测系统对传感器日益提升的性能要求。

本发明的技术方案如下：

一种基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器，所述传感器包含衬底集成波导重入式谐振腔和嵌入在所述谐振腔中的微流控芯片。

所述谐振腔由上层盖板和下层基座叠合组成。

所述上层盖板和下层基座均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层三层结构。

所述上层盖板的顶层金属层的左右区域有两条关于纵轴对称的共面波导馈电线，用于激励信号的馈入。

所述上层盖板和下层基座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，其目的是用以形成谐振腔的四面金属壁。

所述上层盖板的中间介质层有两个关于谐振腔对角线对称的开放式通孔，两个通孔上方均对应装有一个管座，用于接出柔性导管，实现被测液态媒质的注入与抽取。

所述上层盖板的中心区域自底层往上刻蚀有凹槽，所述微流控芯片嵌入放置在所述凹槽中。

所述下层基座围绕中心区域自顶层往下刻蚀有环形凹槽，与上层盖板的凹槽对应，环形凹槽中心形成电容柱。

电容柱区域包含由九个金属通孔组成的通孔阵列，用以实现电容柱的金属化。

进一步，所述微流控芯片上的单向导通微流道为蜿蜒形，目的是为了增大被测液态媒质与诱导电场的相互作用面积；微流道的起点与终点区域均设有一段锥形转接结构，目的是为了防止被测样品在起点和终点处的泄漏。

本发明的有益效果具体如下：

1.本发明采用衬底集成波导重入式谐振腔作为谐振元件设计传感器，相较于传统空气填充波导谐振腔，本发明结构更加紧凑，体积更加轻薄，更易于加工制造，利用现已非常成熟标准印制电路板工艺和光刻工艺即可实现，有效缩减了制造成本。此外，衬底集成波导重入腔的平面结构也使其更易于与其他平面电路结构集成。

2.本发明采用微流控芯片将被测媒质引入到传感器的传感区域中，仅需极少量的样品即可完成检测，且被测样品无需与传感器接触，相较于将传感器结构直接浸入大量被测样品中的传统方法，本发明有效解决了被测样品的污染与浪费问题。

3.本发明巧妙地将微流控芯片上的微流道设计为蜿蜒形，并将微流控芯片放置在谐振腔诱导电场高度集中区域，有效增强了被测媒质与诱导电场间的相互作用，从而显著增强了传感器的传感灵敏度及检测分辨率。

4.本发明采用聚四氟乙烯作为微流控芯片的材料，利用其低损耗正切角的特性有效维持了衬底集成波导重入腔的高品质因数，同时聚四氟乙烯优良的化学惰性极大扩展了所设计传感器的应用范围。

附图说明

图1是本发明提出的微波传感器的截面示意图；

图2(a)是本发明提出的微波传感器封装完成后的整体结构示意图；

图2(b)是本发明提出的微波传感器各组件的立体分解示意图；

图3是本发明提出的微波传感器的上层盖板整体结构示意图；

图4(a)是本发明提出的微波传感器的微流控芯片整体结构示意图；

图4(b)是本发明提出的微波传感器的微流控芯片俯视图；

图5(a)是本发明提出的微波传感器的下层基座整体结构示意图；

图5(b)是本发明提出的微波传感器的下层基座俯视图；

图6(a)是本发明提出的微波传感器对具有不同相对介电常数样品的谐振频点变化曲线图；

图6(b)是本发明提出的微波传感器对具有不同损耗正切角样品的3-dB带宽变化曲线图。

具体实施方式

为了更好阐述设计过程和目的，下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：

如图1至图5(a)和图5(b)所示，本发明提出的基于衬底集成波导重入腔和微流控技术的微波传感器包含一个衬底集成波导重入式谐振腔1和一片嵌入放置在该谐振腔中的微流控芯片2。

所述谐振腔1由上层盖板1-1和下层基座1-2叠合组成。上层盖板1-1和下层基座1-2均包含三层结构，分别为顶层金属层、中间介质层以及底层金属层。

其中上层盖板1-1的底层金属层与下层基座1-2的顶层金属层面积相同，二者用导电胶粘合在一起。

上层盖板1-1和下层基座1-2的中间介质层材料相同，在本实施例中，该材料为Rogers 4003，其相对介电常数为3.55，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0027。

上层盖板1-1和下层基座1-2具有相同的长度与宽度，作为优选，其长度L为55mm，宽度W为50mm。

上层盖板1-1和下层基座1-2的中间介质层在靠近边缘位置均包含沿着横轴与纵轴方向的数排金属通孔1-3，连接顶层金属层与底层金属层，其作用是形成谐振腔1的四面金属壁。为防止电磁能量从金属通孔间的间隙中泄漏，金属通孔1-3的半径应大于等于两相邻金属通孔间圆心距的四分之一同时小于波导波长的十分之一。作为优选，金属通孔1-3的半径为0.4mm，两相邻金属通孔间的圆心距为1.1mm。

上层盖板1-1的顶层金属层左右两侧分别刻蚀两条关于横轴对称的长条形凹槽，形成共面波导馈电线1-1-1,左右两侧的共面波导馈电线关于纵轴对称。共面波导馈电线1-1-1的尺寸需精确设计以满足输入端口阻抗匹配的需求。作为优选，共面波导馈电线1-1-1的馈入深度为20.2mm，馈线宽度为2.31mm。

上层盖板1-1的中间介质层开有两个关于谐振腔对角线对称分布的开放式通孔1-1-2，作为优选地，通孔的半径为1mm。在通孔1-1-2的上方装有圆柱形管座3，两个管座上均连接一条柔性导管，用以实现被测液体的抽取与注入，圆柱形底座3的圆心与开放式通孔1-1-2的圆心位于同一条竖直直线上。

微流控芯片2的正面刻蚀了一条单向导通的蜿蜒形微流道2-1，微流道为中心对称图形，其对称中心为微流控芯片2的中心。微流道2-1的起点与终点区域设有两段相同的锥形转接结构2-1-1，用以防止被测样品在微流道起点和终点处的泄露。在本实施例中，微流控芯片的材料为聚四氟乙烯，利用其低损耗正切角的特性可以有效维持衬底集成波导重入腔的高品质因数，同时聚四氟乙烯优良的化学惰性极大，使所设计传感器的应用范围更广。

作为优选，微流控芯片2的厚度为0.8mm，微流道2-1的深度为0.45mm。

上层盖板1-1的中心区域自底层往上刻蚀了一块正方形凹槽，凹槽面积与微流控芯片2相同，凹槽深度与微流控芯片厚度相同。微流控芯片2正面朝上嵌入放置在该正方形凹槽中，且芯片正面用绝缘胶粘接在顶层盖板上，粘接的目的是使微流道密封，从而防止被测媒质的泄漏。

对应地，下层基座1-2围绕中心区域自顶层往下刻蚀出一块环形凹槽，环形凹槽中心形成正方形电容柱1-2-1。作为优选地，凹槽深度为3.372mm。

所述的正方形电容柱1-2-1区域包含由3×3＝9个金属通孔1-2-2组成的通孔阵列，用以实现电容柱1-2-1的金属化。此处的金属通孔1-2-2与前述用于实现谐振腔1金属壁的金属通孔1-3具有不同的尺寸参数，尺寸参数包括金属通孔的半径与相邻金属通孔间的圆心距。作为优选，金属通孔1-2-2的半径为1mm，两个相邻金属通孔间的圆心距为7.3mm。

图6(a)和图6(b)显示了本发明提出的微波传感器对具有不同相对介电常数和损耗正切角的样品的谐振频点及3-dB带宽变化曲线。当微流道2-1内未填充任何被测媒质，即完全填充空气时，衬底集成波导重入式谐振腔在2.19GHz激发出强烈的谐振，此时谐振腔内的电场被严格限制在下层基座电容柱与上层盖板所夹的中间区域。当被测媒质均匀注入微流道中时，该媒质在谐振腔内高度集中电场的作用下产生极化效应，从而对谐振腔内的电磁场产生扰动，最终导致传感器谐振频点与3-dB带宽发生改变。如图6(a)所示，当被测媒质的相对介电常数从1增大到80时，传感器的谐振频点从2.19GHz减小到了1.57GHz。同样地，参见图6(b)，当被测媒质相对介电常数固定时，传感器的3-dB带宽与被测媒质的损耗正切角呈正比，即其3-dB带宽随被测媒质的损耗正切角的增大而线性增大。因此，通过测定传感器的谐振频点位置及3-dB带宽的大小即可精确反演计算出被测媒质的复介电常数。

本发明结合衬底集成波导技术与微流控技术，将微流控芯片引入到衬底集成波导重入式谐振腔中，利用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，获得一个非侵入式、可重复使用、易于与其他平面电路集成的高灵敏度高精度传感器。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种基于衬底集成波导和微流控技术的微波传感器，其特征在于：所述传感器包含衬底集成波导重入式谐振腔(1)和嵌入在所述谐振腔(1)中的微流控芯片(2)；

所述谐振腔(1)由上层盖板(1-1)和下层基座(1-2)叠合组成，二者用导电胶粘合在一起；所述上层盖板(1-1)和下层基座(1-2)均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层三层结构；所述上层盖板(1-1)的顶层金属层的左右区域有两条关于纵轴对称的共面波导馈电线(1-1-1)；所述上层盖板(1-1)和下层基座(1-2)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(1-3)，连接顶层金属层与底层金属层；所述上层盖板(1-1)的中间介质层有两个关于谐振腔对角线对称的开放式圆形通孔(1-1-2)，两个通孔上方均对应装有一个管座(3)；所述上层盖板(1-1)的中心区域自底层往上刻蚀有凹槽，所述微流控芯片(2)嵌入放置在所述凹槽中；

所述下层基座(1-2)围绕中心区域自顶层往下刻蚀有环形凹槽，与上层盖板的凹槽对应，环形凹槽中心形成电容柱(1-2-1)；电容柱区域包含由九个金属通孔(1-2-2)组成的通孔阵列；

所述微流控芯片(2)上有单向导通的微流道(2-1)，微流控芯片采用聚四氟乙烯作为材料；

所述微流道(2-1)为中心对称图形，其对称中心为微流控芯片(2)的中心，微流道(2-1)为蜿蜒形。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微流道(2-1)的起点与终点区域均设有一段锥形转接结构(2-1-1)。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述上层盖板(1-1)与下层基座(1-2)的长度和宽度相同，但其中间介质层的厚度不同。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述上层盖板(1-1)上的凹槽面积与微流控芯片(2)的面积相同，凹槽深度与微流控芯片厚度也相同。

5.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述管座(3)和位于上层盖板(1-1)上的开放式圆形通孔(1-1-2)的圆心位于同一条竖直直线上。

6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述共面波导馈电线(1-1-1)的馈入深度为20.2mm，馈电线宽度为2.31mm。

7.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述上层盖板(1-1)与下层基座(1-2)的中间介质层材料为Rogers 4003，其相对介电常数为3.55，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0027。

8.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述微流控芯片(2)的厚度为0.8mm，微流道(2-1)的深度为0.45mm。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述金属通孔(1-2-2)半径均为1mm，两个相邻通孔间的圆心距为7.3mm。

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