[发明专利]一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器

说明书

一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器，包含衬底集成波导重入式谐振腔和共面波导馈电线。重入式谐振腔由四块介质基板纵向叠合而成，每块介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔，均匀分布在谐振腔外围与馈电线的两侧。第二介质基板与第三介质基板的中间介质层均刻蚀有一块扇形凹槽，同时第二介质基板的底层金属层与第三介质基板的顶层金属层均刻蚀了一条L形长条凹槽。本发明将折叠技术应用于衬底集成波导重入式谐振腔，在保证谐振腔高品质因数的同时极大程度地缩减谐振腔的相对尺寸，同时在谐振腔强诱导电场处引入传感区域，激发谐振腔内诱导电场与湿空气介质间的强相互作用，结构紧凑、易于加工与集成。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及适用于检测空气相对湿度的微波无源传感器。

背景技术

湿度是环境质量监测中的一项重要指标，对湿度进行监测与控制在许多应用场景中都非常重要，例如温室大棚中空气相对湿度的大小将直接影响作物的生长及健康状况。在储存食物时需要将环境相对湿度控制在一个恰当的水平以延缓食物的腐败。其他领域例如材料处理、机械制造、大型设备运行等均对环境湿度具有较高要求。因此，研发高性能湿度传感器在众多领域都具有较高的实用价值。

传统湿度传感器如电阻型传感器、电容型传感器以及压电式传感器均工作在较低频率，无法直接应用于现代射频传感检测系统。为解决这一问题，科研人员近年来提出了微波无源湿度传感器设计方案。微波无源湿度传感器因其成本低廉、设计灵活性强、易于与射频传感检测系统集成等诸多优点而倍受青睐。然而目前所报道的微波无源湿度传感监测器件仍然具有相对尺寸大、传感灵敏度低、品质因数低等诸多问题，严重限制了它们的实际应用范围。

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的湿度传感器，目的是将折叠技术应用于衬底集成波导重入式谐振腔，在保证高品质因数的同时极大地缩小谐振腔的相对体积，以解决现有微波无源传感器体积大、品质因数低等缺陷。另一方面，通过在谐振腔内强诱导电场处引入传感区域以激发谐振腔诱导电场与湿空气介质间的高强度相互作用，从而实现对空气相对湿度的高灵敏度高分辨率检测，以满足各学科领域对高性能空气湿度传感器的迫切需求。

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的湿度传感器，所述传感器包含一个四分之一圆形重入式谐振腔和一段特征阻抗50Ω的锥形共面波导馈电线。

所述谐振腔包括纵向叠合的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四介质基板。所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四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。

所述第一介质基板的底层金属层、第二介质基板的顶层金属层、第三介质基板的底层金属层及第四介质基板的顶层金属层均刻蚀出一块相同面积的扇形凹槽。

所述第一介质基板的底层金属层与第四介质基板的顶层金属层在所述扇形凹槽区域均留有一块扇形金属未刻蚀，所述扇形金属的半径小于所述扇形凹槽半径,角度相同。所述第一介质基板和第四介质基板的中间介质层在对应该扇形金属区域位置刻蚀有多个周期排列的金属化通孔，该扇形金属和金属化通孔共同形成谐振腔的电容柱结构。

所述第二介质基板和第三介质基板的中间介质层均刻蚀有一块扇形凹槽，与与各自金属层上的扇形凹槽连通，其目的是为了形成传感区域，以实现谐振腔诱导电场与湿空气介质间的强相互作用。

所述第一介质基板和第四介质基板的中间介质层刻蚀有数个非金属化空气通孔，均匀分布在所述扇形金属的两侧，连通谐振腔腔体，其目的是为了让外界环境中的湿空气能够进入谐振腔内。

所述第二介质基板的底层金属层与第三介质基板的顶层金属层在对应扇形凹槽的两侧位置均刻蚀有一条长条凹槽，其目的是为了允许电磁波从第一介质基板传播到第四介质基板，从而实现折叠形式的电场分布模式。