[发明专利]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

说明书

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。

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。