CN109781748A - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
2. 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，利用现已非常成熟的标准印制电路板工艺和光刻工艺即可实现，相较于传统波导谐振腔，本发明结构更加紧凑，体积更加轻薄，更易于加工制造，有效缩减了制造成本。此外，衬底集成波导重入式谐振腔的平面结构也使其更易于与其他平面电路结构集成。
3. 本发明采用微流控芯片将被检测液体引入诱导电场区域，仅需少量液体且不会与传感器有物理接触，解决了传统传感器会造成被测液体的污染与浪费的问题。
4. 本发明巧妙地将微流控芯片上的微流道设计为蚊香型螺旋结构，并利用其导通通道将被测液体引入诱导电场的强电场区，显著提高了检测的灵敏性。
5. 本发明采用PMMA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式谐振腔的高品质因数，同时PMMA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封装完成后的整体结构示意图；
图1（a）是本发明提出的微波传感器各组件的立体分解示意图；
图2（a）是本发明提出的微波传感器衬底集成波导重入式谐振腔单体的整体结构示意图；
图2（b）是本发明提出的微波传感器衬底集成波导重入式谐振腔单体的截面示意图；
图2（c）是本发明提出的微波传感器衬底集成波导重入式谐振腔单体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衬底集成波导重入式谐振腔单体的上层盖板整体结构示意图；
图3（a）是图3中I部放大图。
图4（a）是本发明提出的微波传感器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微流控芯片俯视图；
图5是本发明提出的微波传感器衬底集成波导重入式谐振腔单体的下层底板整体结构示意图；
图6是本发明提出的Wilkinson功分器的俯视图；
图7是本发明提出的微波传感器对具有不同介电常数样品的传输响应特性曲线图。
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、图1（a）、图2（a）和图2（b）所示，本发明提出的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包含两个衬底集成波导重入式谐振腔单体1、二个功分器3和两片嵌入放置在该谐振腔单体中的微流控芯片2。
所述微波传感器是由上层盖板1-1和下层底板1-2叠合组成。上层盖板1-1和下层底板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的底层金属与下层底板1-2的顶层金属面积相同，二者用导电胶粘合在一起。上层盖板与下层底板粘合时中心轴线应对准
上层盖板1-1和下层底板1-2的中间介质层材料相同，在本实施例中，该材料为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0009。其中上层盖板的厚度为1.1mm,下层底板的厚度为1.5mm。
在上层盖板1-1和下层底板1-2之间左右并排形成两个谐振腔单体1，每个所述谐振腔单体1中均嵌入有微流控芯片2，所述两个衬底集成波导重入式谐振腔单体1并联，并由功分器3串联连接，形成差分式结构。
如图6所示，所述功分器为Wilkinson功分器3，制作在上层盖板的顶层金属上，其三端口分别由微带线连入圆形金属环3-4，其中端口一3-1用以激励信号馈入，端口二3-2和端口三3-3功率等分，分别通过馈电线1-1-1连接两个谐振腔单体1。金属环3-4内包含有一个100欧的电阻3-5。作为优选，金属环的外径为4.09mm，与端口一3-1连接的微带线宽度为0.93m，与端口二3-2和端口三3-3连接的微带线的宽度均为1mm。
如图3和图3 （a）所示，在谐振腔单体1的顶层金属层左右两侧分别刻有两条馈电线1-1-1，用于与两个功分器连接，形成共面波导传输。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，馈电线1-1-1的宽度为1.78mm，馈入谐振腔内的深度为8.27mm，馈电线1-1-1与上层盖板顶层共面金属间的缝隙宽度w为1mm。
对于每个谐振腔单体1需要通过制作如下结构而获得：
在上层盖板1-1和下层基座1-2的中间介质层均制作一圈圆形排列的金属通孔1-3，连接顶层金属层与底层金属层，其作用是形成谐振腔单体1的圆柱形金属壁。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1mm。
如图3所示，在圆柱形金属壁围成的区域内，上层盖板1-1上自底层金属往上至部分中间介质层刻蚀一块圆柱形凹槽，圆柱形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。
如图5所示，在下层底板1-2上自顶层金属往下至部分中间介质层刻蚀出一块环形凹槽，环形凹槽中心形成圆形短路电容柱1-2-1，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，即形成谐振腔单体1。以上两个凹槽均没有将中间介质层可是完，均保留了一定厚度的中间介质层，目的是用于安装微流控芯片。
作为优选地，圆柱形凹槽的深度为1mm。环形凹槽的外径尺寸为24mm，凹槽深度为1.3mm，短路电容柱的半径为6mm，短路电容柱内的金属通孔1-2-2半径均为0.5mm。
在谐振腔单体1的上层盖板1-1的上方装有两个圆柱形管座4，两个管座上均连接一条柔性导管，用以将被测液体抽取或注入微流控芯片2的微流道中。
所述微流控芯片2是正面朝上嵌入在谐振腔单体1的圆形凹槽中，利用绝缘胶将微流道芯片正面与顶层盖板连接，使微流道密封，防止被测媒质的泄漏。
如图4（a）和图4（b）所示，微流控芯片2由上向下刻蚀了一条导通的蚊香型的螺旋式微流道2-1。在本实施例中，微流控芯片的材料为PMMA，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式谐振腔的高品质因数，同时PMMA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0.965mm，微流道2-1的深度为0.8mm,宽度为1.1mm，间距为0.5mm。
图7是本发明提出的微波传感器对具有不同介电常数样品的传输特性曲线图。如图7所示，当两个微流道2-1均完全填充空气时，两个重入式谐振腔均在3.52GHz激发出强烈谐振。若将被测液体均匀地注入其中一个微流道2-1中，另一个仍填充空气，此时两个重入式谐振腔将会激发出两个不同的频点，被注入的液体对其中一个谐振腔内的电磁场产生扰动，激发出一个低于3.52GHz的频点，而另一个谐振腔激发出的频点仍为3.52GHz。当被测液体样品的介电常数从2增大到10时，第一个频点值从2.66GHz降低到1.83GHz，第二个频点始终为3.52GHz。因此，通过计算两个频点间的差值即可实现在避免了环境干扰前提下对液态煤质的精确检测。
可见，本发明是结合差分式衬底集成波导重入式谐振腔与微流控技术，将微流控芯片引入到衬底集成波导重入式谐振腔中，利用差分式结构组态对环境干扰的补偿、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 (10)
1.一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，其特征在于：所述传感器具有叠合的上层盖板(1-1)和下层底板(1-2)，所述上层盖板(1-1)和下层底板(1-2)均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层；在上层盖板(1-1)和下层底板(1-2)之间左右并排形成有两个衬底集成波导重入式谐振腔单体(1)，每个所述衬底集成波导重入式谐振腔单体(1)中均嵌入有微流控芯片(2)，所述两个衬底集成波导重入式谐振腔单体（1）并联，并由功分器（3）串联连接，形成差分式结构。
2.根据权利要求1所述的微波传感器，其特征在于：对于每个所述衬底集成波导重入式谐振腔单体（1），是在上层盖板(1-1)和下层底板(1-2)的中间介质层中制作一圈圆形分布的金属通孔(1-3)，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(1-1)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(2)，在下层底板(1-2)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(1-2-1)；
对于每个所述谐振腔单体（1），在上层盖板(1-1)的上方均装有两个管座(4)，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(2)的微流道(2-1)的进出口相通，实现微流道和柔性导管的连通。
3.根据权利要求1所述的微波传感器，其特征在于：所述功分器（3）有两个，位于衬底集成波导重入式谐振腔单体（1）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（3-4），其中端口一（3-1）用以激励信号馈入，端口二（3-2）和端口三（3-3）功率等分，分别通过馈电线（1-1-1）连接两个衬底集成波导重入式谐振腔单体（1）。
4.根据权利要求3所述的微波传感器，其特征在于：所述金属环内包含有一个100欧的电阻（3-5），金属环的外径为4.09mm；与端口一（3-1）连接的微带线宽度为0.93m，与端口二（3-2）和端口三（3-3）连接的微带线的宽度均为1mm。
5.根据权利要求3所述的微波传感器，其特征在于：所述馈电线（1-1-1）宽度为1.77mm，在每个谐振腔单体（1）两侧的馈入深度为8.7mm，馈电线（1-1-1）和上层盖板顶层共面金属的缝隙w为1mm。
6.根据权利要求2所述的微波传感器，其特征在于：所述上层盖板(1-1)内的圆柱形凹槽外径与微流控芯片(2)的尺寸相同，均为24mm，凹槽深度与微流控芯片厚度相同。
7.根据权利要求1或2所述的微波传感器，其特征在于：所述上层盖板(1-1)与下层底板(1-2)的中间介质层材料为Rogers 5880，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0009。
8.根据权利要求1或2所述的微波传感器，其特征在于：所述上层盖板的厚度为1.1mm,下层底板的厚度为1.5mm。
9.根据权利要求2所述的微波传感器，其特征在于：所述短路电容柱区域内包含有金属通孔(1-2-2)，用以连接短路电容柱的上层和下层金属，金属通孔（1-2-2）半径均为0.5mm。
10.根据权利要求1所述的微波传感器，其特征在于：所述微流控芯片(2)上的微流道(2-1)为螺旋状，微流控芯片衬底采用PMMA聚合物材料，微流控芯片(2)的厚度为0.965mm，微流道(2-1)的深度为0.85mm，宽度为1.1mm，间距为0.5mm。
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