CN113049882A - 一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器 - Google Patents

Abstract

一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器，谐振腔体由上下两层介质基板叠加而成，每层介质基板中有阵列分布的金属化通孔，用于形成谐振腔的外侧金属壁以及内部电容柱。下层介质基板的顶层金属层被蚀刻出一条环形缝隙，上层介质基板中心位置存在一个凹槽，凹槽的中心区域用于装载微流控芯片。为了精确建立传感器的等效电路模型和液体介电常数的定量预测模型，本发明将环形缝隙引入到普通重入式谐振腔内部，抑制重入式腔体内部电容柱周围的边缘电场，同时使电容柱与腔体顶部之间的间隙区域的电场更加集中，在保留普通重入式腔体谐振器优点的基础上实现更高灵敏度的传感器以及能够定量分析介电常数与谐振频率的物理关系。

Description

一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及适用于测量液体介电常数的微波传感器，以及定量分析液体介电常数和传感器谐振频率的关系。

背景技术

对液体介电常数的测量近年来被广泛的运用到各领域中。例如在化学领域中实时测量液体介电常数有助于更加清晰理解液体的化学反应过程；在医学领域通过测量血液介电常数可以实现对血糖含量的监测。

用于表征液体介电常数的微波方法通常被分为谐振法和非谐振法。与非谐振法相比，谐振法由于其在离散频率下的高表征精度，良好的灵敏度，被得到广泛的应用。常见的微波谐振器有：波导谐振器，阶跃阻抗谐振器，同轴线谐振器，开口谐振环等。在众多谐振器中，重入式腔体谐振器得益于其高品质因素和高密集的电场，在高灵敏度传感方面有潜在的运用前景。目前已有基于重入式腔体谐振器的微波传感器被运用于液体介电常数测量，然而传统重入式腔体的电容柱周围的边缘电容难以被准确表征，这导致这类传感器的等效电路模型的元件值难以被精确的量化。因此，利用等效电路模型来定量研究液体介电常数与基于传统重入式腔体谐振器的传感器的谐振频率之间的关系是不适用的。针对这种情况，研究者们采用曲线拟合的方法来建立液体介电常数预测模型。该方法采用各种数学函数来拟合液体介电常数与传感器谐振频率之间的关系，在经过多次尝试后来确定最合适的函数。但是这种拟合方法比较繁琐，需要大量的校准样品才能保证可靠的拟合；另外通过拟合得到的数学表达式只是近似地反映液体介电常数与频率的关系，并不能代表二者真实的关系。

发明内容

本发明的目的主要针对基于传统重入式腔体谐振器微波传感器的不足，提出一种一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器。基于该传感器，研究者能实现该传感器等效电路模型的准确建立和构建液体介电常数与该传感器谐振频率之间的定量物理关系。另一方面，载有环形缝隙的重入式谐振腔间隙区域的电场更加集中，灵敏度更高。

本发明的技术方案如下：

一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器，所述传感器包含谐振腔体和嵌入在所述谐振腔体中的微流控芯片。所述谐振腔体由上层介质基板和下层介质基板叠合构成，所述上层介质基板和下层介质基板均包含顶层金属层、中间介质层及底层金属层三层结构。

所述上层介质基板和下层介质基板的中间介质层在靠近边缘位置均有沿腔体中心轴环形阵列分布的金属通孔,所述金属通孔连接顶层金属层与底层金属层，围成谐振腔的等效金属壁。所述下层介质基板的中间介质层在靠近中心位置同样有环形阵列分布的金属通孔,其目的是形成谐振腔的电容柱。

所述上层介质基板的底层金属层被刻蚀至中间介质层形成凹槽，凹槽的边缘接近金属通孔，凹槽的中心区域向上刻蚀至部分中间介质层形成微流控芯片嵌入槽，嵌入所述微流控芯片。

所述下层介质基板的中间介质层中心区域有沿腔体中心轴环形分布的金属通孔，形成谐振腔的电容柱。所述下层介质基板的顶层金属层蚀刻有环形缝隙，所述环形缝隙围绕在电容柱外侧，并在与凹槽对应的区域内，其目的是利用环形缝隙的内部金属面抑制电容柱周围的边缘电场，把对应的边缘电容转换成环形缝隙电容。

所述凹槽半径即为谐振腔半径，其目的防止上层介质基板的底层金属层覆盖下层介质基板的顶层金属区域中的环形缝隙。

所述上层介质基板的微流控芯片嵌入槽、蚀刻在上层介质基板的底层金属层的圆形凹槽和蚀刻在下层介质基板的顶层金属层的环形缝隙，三者圆心均在同一条竖直直线上。

所述下层介质基板的底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。

所述微流控芯片上有单向导通的螺旋形微流通道，微流控芯片采用聚四氟乙烯作为材料。所述上层介质基板从顶层金属层向下有两个沿谐振腔对角分布的非金属化开放式通孔与微流控芯片的微流通道连通，作为微流通道的出、入液孔。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。

本发明的有益效果具体如下：

本发明提出的微波传感器，通过加载环形缝隙到重入式谐振腔体内部，抑制重入式腔体电容柱周围的边缘电场，使得难以被准确表征的边缘电容转化成可以被精确解析的环形缝隙电容，从而得以建立传感器准确的电路模型，并利用电路模型定量推导出液体介电常数与传感器谐振频率的关系，最终得到液体介电常数的预测模型。另一方面，环形缝隙的加入使得使电容柱与腔体顶部之间的间隙区域的电场更加集中，根据电磁场微扰理论，越集中的电场受到的扰动越明显，因此传感器的灵敏度更高。

附图说明

图1是本发明提出的传感器的简化模型的截面示意图；

图2是本发明提出的传感器的等效电路模型示意图；

图3是本发明提出的传感器在不同介电常数ε'_r下相对频率偏差计算值的变化；

图4(a)是基于传统重入式谐振腔体传感器的电场分布示意图；

图4(b)是本发明提出的传感器的电场分布示意图；

图5是本发明提出传感器的截面示意图；

图6是本发明提出传感器的三维示意图；

图7是本发明提出传感器各组件拼装示意图；

图8(a)是本发明提出传感器上层介质基板正面示意图；

图8(b)是本发明提出传感器上层介质基板背面示意图；

图9(a)是本发明提出传感器下层介质基板正面示意图；

图9(b)是本发明提出传感器下层介质基板背面示意图；

图10(a)是本发明提出传感器微流体芯片三维示意图；

图10(b)是本发明提出传感器微流体芯片正面示意图；

图11是本发明提出液体介电常数预测模型验证结果示意图。

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：

本发明的谐振腔体由上下两层介质基板叠加而成，每层介质基板中有阵列分布的金属化通孔，用于形成谐振腔的外侧金属壁以及内部电容柱。下层介质基板的顶层金属层被蚀刻出一条环形缝隙，上层介质基板中心位置存在一个凹槽，凹槽的中心区域用于装载微流控芯片。为了精确建立传感器的等效电路模型和液体介电常数的定量预测模型，本发明构建出一个新型重入式腔体谐振器,将环形缝隙引入到普通重入式谐振腔内部，抑制重入式腔体内部电容柱周围的边缘电场，同时使电容柱与腔体顶部之间的间隙区域的电场更加集中，在保留普通重入式腔体谐振器优点的基础上实现更高灵敏度的传感器以及能够定量分析介电常数与谐振频率的物理关系。

如图5至图10(a)和图10(b)所示，本发明提出的基于载有环形缝隙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一个载有环形缝隙衬底集成波导重入式谐振腔体1和一片嵌入放置在该谐振腔体中的微流控芯片2。

所述谐振腔体1由上层介质基板1-1和下层介质基板1-2叠合组成。上层介质基板1-1和下层介质基板1-2均包含三层结构，分别是顶层金属层、中间介质层以及底层金属层。

以上两层介质基板在实际结构中是利用半径为1mm的螺丝固定，螺丝位于谐振腔外部，不影响谐振腔的谐振特性。

在本实施例中，上层介质基板1-1与下层介质基板1-2的中间介质层的材料均采用F4BM265，该材料相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗角正切为0.0015。

上层介质基板1-1与下层介质基板1-2的长度与宽度均相同，作为优选长度为61mm,宽度为61mm，上层介质基板厚度为1.5mm，下层介质基板厚度为4mm。

上层介质基板1-1和下层介质基板1-2的中间介质层中在靠近边缘位置有环形阵列分布的金属通孔1-1-1，金属通孔1-1-1连接其所在介质基板的顶层和底层金属，其目的是形成谐振腔的等效金属壁。在本实施例中，作为优选，金属通孔1-1-1半径为0.35mm,相邻两金属通孔的圆心距为1.15mm。

下层介质基板1-2的中间介质层内部在靠近中心位置有环形阵列分布的金属通孔1-2-1，金属通孔连接下层介质基板的顶层和底层金属，其目的是形成谐振腔的电容柱。在本实施例中，作为优选，金属通孔1-2-1半径为0.35mm,相邻两金属通孔的圆心距为1.25mm。

在上层介质基板1-1的底层金属层上蚀刻有圆形凹槽1-1-3，槽底刻蚀至上层介质基板1-1的中间介质层，凹槽1-1-3的边缘接近形成金属壁的金属通孔1-1-1，凹槽半径即是谐振腔体的半径，本实施例中为21mm。

在上层介质基板1-1的圆形凹槽1-1-3的中心区域自中间介质层往上刻蚀形成微流控芯片嵌入槽，嵌入槽半径与微流控芯片2半径均为15mm，嵌入槽深度与微流控芯片2厚度均为1.2mm。为保证微流控芯片2与嵌入槽的紧密结合，防止被测液体的泄露，微流控芯片2正面用双面粘性绝缘胶密封，并正面朝上嵌入槽中。

在下层介质基板1-2的顶层金属蚀刻有环形缝隙1-2-2，环形缝隙1-2-2围绕在电容柱外，并在与圆形凹槽1-1-3对应的区域内，即所述环形缝隙1-2-2内圈半径大于电容柱半径，外圈半径小于凹槽1-1-3半径，抑制电容柱周围的边缘电场，把对应的边缘电容转换成环形缝隙电容。本实施例中，环形缝隙间隙宽为1mm，环形缝隙内圈半径为12mm。

下层介质基板1-2的底层金属层分别蚀刻两条关于横轴对称的L型缝隙，形成渐变锥形共面波导馈电线1-2-3,左右两侧的共面波导馈电线关于纵轴对称。本实施例中，优选的，锥形馈电线总长18mm，锥形馈电线宽2.45mm,锥形馈电线的馈电端口宽1mm；馈电线两侧缝隙宽0.25mm,末端缝隙长4mm。

下层介质基板1-2的靠近馈电线1-2-3两侧刻蚀有数个金属化通孔,金属通孔半径为0.35mm,且通孔圆心间距离为1.3mm。

下层介质基板1-2的远离馈电线1-2-3两侧刻蚀有2个金属化通孔,金属通孔半径为1mm,且通孔圆心间距离为9.53mm。通过该通孔，免焊终端连接器能实现与传感器的连接。

上层介质基板1-1在对应共面波导馈电线1-2-3的位置蚀刻出矩形缺口1-1-4,作为安装免焊接终端连接头的放置位置，矩形缺口长20mm，宽7mm。

上层介质基板1-1的介质层有两个沿谐振腔对角分布的非金属化开放式通孔1-1-2，该通孔作为微流控芯片的微流通道的出、入液孔。优选地，通孔半径为1.2mm。连接有柔性导管的圆柱形管座3位于通孔1-1-2正上方，待测液体通过柔性导管被泵入和泵出传感器。

图1是本发明提出的传感器的简化模型的截面示意图。该简化模型由上、下两部分组成，上、下两部分的高度分别为h₂和h₁。其中h₃为微流体通道深度，wr为环形缝隙间距，r₀为环形缝隙的内半径，r₁为电容柱半径，r₂为谐振腔半径。ε'_r为待测液体介电常数，ε_r1为介质基板介电常数，ε_r2为微流控芯片介电常数。

图4(a)和图4(b)分别显示了基于传统重入式谐振腔体传感器和本发明提出的传感器的电场分布示意图。由图4(a)可以明显看到传统重入式谐振腔体的电容柱周围存在边缘电场，其对应的难以被准确表征的非线性边缘电容不利于等效电路模型的精确建立。因此利用基于传统重入式谐振腔体传感器的等效电路模型定量分析待测液体介电常数与传感器谐振频率的关系是相对困难的。本发明提出的传感器巧妙地解决了这一问题，如图4(b)所示，环形缝隙的加入有效地抑制了电容柱周围的边缘电场，把对应的非线性边缘电容转换成对介电常数具有线性响应的环形缝隙电容，从而得以建立传感器准确的电路模型，并利用电路模型定量推导出液体介电常数与传感器谐振频率的关系，最终得到液体介电常数的预测模型。

如图2所示，是为了得到待测液体的介电常数与本发明提出的传感器谐振频率之间的定量关系，建立的该传感器集总元件等效电路模型。C_p为电容柱与谐振腔顶部之间的间隙电容，当谐振腔上部分的高度h₂远小于谐振波长λ_g时，间隙区的电场几乎是均匀的。因此，C_P可以看作平行板电容。根据平行板电容基本原理，C_P可以等效为电容C₁和C₂串联组成，其中C₁是由待测液体确定的分布电容，C₂是由微流体芯片确定的另一个电容，因此C_P可表示为：

谐振腔的下部分是一条短路同轴线，相当于一个电感L。根据同轴传输线理论，L可表示为：

环形电容C_a由环形缝隙形成,如果忽略金属厚度，以及w_r＞＞r₀，C_a可被精确的表征为：

C_a＝2πr₀ε₀(ε_r1+ε_r2) (3)

根据等效电路模型得到传感器谐振频率为：

根据(1)(2)(3)(4)初步得到传感器谐振频率与待测液体介电常数定量物理关系为：

为了研究C_a/C₁对谐振频率f_r的影响，假设f_r1和f_r2是等式(5)中分母中有C_a/C₁项的谐振频率和无C_a/C₁项的谐振频率。计算出不同的ε'_r下的相对频率偏差|(f_r2-f_r1)/f_r1|，如图3所示。计算结果表明，当ε'_r大于20时，相对频率偏差小于2.06％。因此，忽略式(5)分母中的C_a/C₁项是合理的。然后将式(5)简化为如下形式

其中m₁＝4π²L(C_a+C₂)/C₂,n₁＝-1/C₂,

和n＝n₁/m₁均为常数。需要指出的是，通过以上模型推导得出的介电常数的预测模型能准确地表征待测液体介电常数ε'_r的范围在20到80之间。

图11展示了不同浓度乙醇—水混合溶液的介电常数的预测值和参考值，其中最大预测误差仅为4.1％，这表明基于本发明提出传感器推导得出的介电常数的预测模型具有很高的准确性。

可见，本发明与基于传统重入式腔体谐振器微波传感器相比，克服了难以利用传感器等效电路模型定量分析液体介电常数和传感器的谐振频率之间关系这一难题，以及实现更高灵敏度传感。基于本发明提出的传感器，研究者可以不借助数学拟合法就能快速实现对液体预测模型准确的建立，同时减少对校准物质在数量上的需求，因此本发明具有很强的实用性。

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)

1.一种载有环形缝隙的衬底集成波导重入式谐振腔微波传感器，所述传感器包含谐振腔体(1)和嵌入在所述谐振腔体(1)中的微流控芯片(2)；所述谐振腔体(1)由上层介质基板(1-1)和下层介质基板(1-2)叠合组成；所述上层介质基板(1-1)和下层介质基板(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；所述上层介质基板(1-1)和下层介质基板(1-2)的中间介质层在靠近边缘位置均有沿腔体中心轴环形分布的金属通孔(1-1-1)；所述金属通孔(1-1-1)连接顶层金属层与底层金属层，围成谐振腔的等效金属壁；

其特征在于：所述上层介质基板(1-1)的底层金属层被刻蚀至中间介质层形成凹槽(1-1-3)，凹槽(1-1-3)的边缘接近金属通孔(1-1-1)，凹槽(1-1-3)的中心区域向上刻蚀至部分中间介质层形成微流控芯片嵌入槽，嵌入所述微流控芯片(2)；

所述下层介质基板(1-2)的中间介质层中心区域有环形分布的金属通孔(1-2-1)，形成谐振腔的电容柱；所述下层介质基板(1-2)的顶层金属层蚀刻有环形缝隙(1-2-2)，所述环形缝隙(1-2-2)围绕在电容柱外侧，并在与凹槽(1-1-3)对应的区域内，抑制电容柱周围的边缘电场，把对应的边缘电容转换成环形缝隙电容；所述下层介质基板(1-2)的底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(1-2-3)。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微流控芯片(2)上有单向导通的螺旋形微流通道(2-1)，所述上层介质基板(1-1)从顶层金属层向下有两个沿谐振腔对角分布的非金属化开放式通孔(1-1-2)与微流控芯片(2)的微流通道连通，作为微流通道的出、入液孔。

3.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)厚度为1.2mm；微流通道(2-1)首端与终端区域设有锥形转接结构(2-1-1)，微流通道(2-1)深度为0.8mm。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述凹槽(1-1-3)半径与即为谐振腔半径，优选为21mm。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述环形缝隙(1-2-2)的内圈半径大于电容柱半径，外圈半径小于凹槽(1-1-3)半径；优选地，环形缝隙内圈半径为12mm，缝隙宽为1mm。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的传感器，其特征在于：所述微流控芯片嵌入槽、凹槽(1-1-3)和环形缝隙(1-2-2)三者圆心均在同一条竖直直线上。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述共面波导馈电线(1-2-3)为锥形渐变结构，且锥形馈电线两侧蚀刻有L型缝隙；锥形馈电线总长18mm，锥形馈电线宽2.45mm,锥形馈电线的馈电端口宽1mm；馈电线两侧缝隙宽0.25mm,末端缝隙长4mm。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于：所述上层介质基板(1-1)在对应共面波导馈电线(1-2-3)的位置蚀刻出矩形缺口(1-1-4),作为安装免焊接终端连接头的放置位置。

9.根据权利要求1、2或3所述的传感器，其特征在于：所述上下介质基板的中间介质层材料均F4BM265，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0015。

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