本发明属于微波传感技术领域，具体涉及适用于检测液态媒质的微波传感器。
背景技术：
对液态媒质的传感检测在各个学科及工业领域中都有非常广泛的应用与研究。现阶段对液态媒质的微波检测主要有谐振法、自由空间传输法等，相较于其他方法，谐振法所具有的高灵敏度、频点可控、检测方便、适用范围广等显著特点使其受到研究学者的极大关注与应用。
对于传统传感检测技术所制造的传感器，其大体积、高成本、低精度、难于集成等缺点，本身就限制了它的应用。特别是在现代检测技术快速发展的局面下，现代测试系统趋于小型化、集成化、高精度、高抗扰，传统传感器更是难以胜任。从另一个角度来看，为了更好的令传感器产生作用，通常会将传感器置入大量的试验样品中，这种测试方式不仅会造成试验样品的污染，还存在试验样品大量浪费的缺陷。
申请人之前曾发明了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（专利文献号cn109781748a)，该传感器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，在每个谐振腔单体中嵌入微流控芯片，将被检测液体引入诱导电场区域。其通过差分式结构有效提高对环境的抗干扰性，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。但该传感器的谐振腔结构是由设计在上层盖板和上层盖板内的结构共同构成，微流控芯片需嵌入在上层盖板和上层盖板内，才能将被测液体引入诱导电场的强电场区，该传感器的结构还有待于进一步优化，检测的灵敏性有也有待于进一步提高。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明提出一种基于衬底集成波导和缝隙电容谐振技术的微波传感器，通过使用衬底集成波导使得传感器具有更加小型化与平面化的优点，引入缝隙电容谐振技术更有效提高传感器的检测灵敏度及精度等性能，通过附着在传感器表面的微流道芯片，使得微流道与环形缝隙的位置重合来达到减少试验样品用量的要求，从而避免试验用量的浪费和污染，同时提高传感器灵敏度及精度等性能指标，进一步简化传感器结构。
本发明的技术方案如下：
一种基于衬底集成波导和缝隙电容谐振技术的微波传感器，所述传感器包括与缝隙电容谐振结构相结合后的衬底集成波导和附着在所述衬底集成波导上的微流道芯片构成。
所述的衬底集成波导包含顶层金属层、中间介质层和底层金属层，在中间介质层的边缘位置均匀分布有沿纵轴与横轴对称的数排金属化通孔，以连接顶层金属层和底层金属层，横排和纵排的金属化通孔围成矩形，由金属化通孔形成矩形谐振腔所必须的金属壁。
所述缝隙电容谐振结构是在衬底集成波导的顶层金属层的中心区域通过刻蚀出环形凹槽，来形成缝隙电容。并在衬底集成波导的中心位置布置连接顶层金属层和底层金属层的金属化通孔等效为所需电感，与缝隙电容一起组成缝隙电容谐振结构。
所述衬底集成波导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。进一步，在馈电线的两侧有关于横轴对称的数个金属化通孔，用以约束激励信号的传输范围，减少能量的损失，提高激励信号的传输效率。
进一步，所述微流道芯片的底面设计有微流道，该微流道中间为环形流道，两端对称为进出流道，形成中心对称图形；所述微流道的环形流道与环形缝隙的位置重合。微流道单向导通，在增大被测液态媒质与诱导电场的相互作用面积的同时方便测量的过程中有多个测试样品的情况出现，便于清理通道中的残余样品以减小误差。微流道的进出流道的起点与终点均设置有开放性通孔，在通孔上方均装有管座，用于接出柔性导管。
所述衬底集成波导在平面上的靠近上下边缘的位置有关于横轴对称的四个开放性通孔，与所述微流道芯片在平面上的上下边缘位置的开放性通孔相对应，用于微流道芯片与衬底集成波导的精确定位与固定，保证微流道与环形缝隙的位置重合。
本发明的有益效果具体如下：
1.本发明采用衬底集成波导作为谐振元件设计传感器，相对于传统的波导腔，本发明更易于加工制造，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，本发明的结构更加紧凑，体积更加轻薄，更易于与其他平面电路结构集成。
2.本发明在衬底集成波导上设计缝隙电容谐振结构，使得传感器的诱导电场的区域变小的同时场强增大，既为减少测试样品的用量提供了基础，又有效的增强了测试样品与诱导电场之间的作用，显著提高了传感器的灵敏度及精度。
3.本发明将微流道芯片附着在衬底集成波导上，结构简单，采用微流道芯片将被测媒质引入到传感器的最强作用区域中，不仅样品与传感器之间没有大面积直接接触，而且仅需要微量样品就可以实现检测，解决了测试样品的污染与浪费的问题。
4.本发明将微流道芯片上的微流道设计双通道环形，使测试样品通过传感器的诱导电场高度集中区域的同时，减少了样品用量，进一步增强了传感器的传感灵敏度与精度。
5.本发明采用ptfe作为微流道芯片的材料，利用其低损耗正切角的特性有效维持了传感器的高品质因数，同时ptfe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（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1（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2是本发明提出的微波传感器的衬底集成波导整体结构示意图；
图2（a）是图2中ⅰ部放大图；
图3（a）是本发明提出的微波传感器的微流道芯片整体结构示意图；
图3（b）是本发明提出的微波传感器的微流道芯片仰视图；
图4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：
本发明提出的传感器是在衬底集成波导的顶层金属层刻蚀出环形缝隙以等效为电容，并与衬底集成波导中心的金属化通孔等效的电感组成谐振结构，微流道芯片附着在衬底集成波导顶层金属层上。在衬底集成波导的顶层金属层的左右两侧各刻蚀有两条关于横轴对称的长条形凹槽，在凹槽外侧由数个金属通孔与围成矩形的数排金属通孔相连，这些金属化通孔连接着顶层金属层与底层金属层构成谐振腔。
如图1（a）和图1（b）所示，本发明提出的微波传感器包含一个与缝隙电容谐振结构相结合后的衬底集成波导1和一片附着在该衬底集成波导上的微流道芯片2。
如图2所示，所述衬底集成波导1分为顶层金属层、中间介质层以及底层金属层。在本实施例中，该衬底集成波导的中间介质层的材料为f4b，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0009。作为优选，衬底集成波导的三层结构的大小相同呈正方形，其边长为57mm，中间介质层的厚度为1.2mm，上下两层金属层的厚度均为0.035mm。
所述衬底集成波导1的中间介质层在靠近边缘位置设置有沿着横轴与纵轴方向的数排金属化通孔1-1，金属化通孔1-1连接着顶层金属层与底层金属层，其作用是形成衬底集成波导1的矩形谐振腔的四面金属壁。作为优选，金属化通孔1-1的半径为0.41mm，两相邻金属通孔间的圆心距为1.3mm，从而防止电磁能量从金属通孔间的间隙中泄漏。
所述衬底集成波导1的顶层金属层在平面上的左右两侧分别刻蚀两条关于横轴对称的长条形凹槽，宽度均为0.3mm，来形成共面波导馈电线1-2，两条共面波导馈电线关于纵轴对称。作为优选，共面波导馈电线1-2的馈入深度为20.5mm，馈线宽度为1.5mm，以实现共面波导馈电线的设计尺寸能够满足输入端口的最优阻抗匹配。
所述衬底集成波导1在顶层金属层上有如图2（a）所示的蚀刻处理出的环形缝隙，形成缝隙电容1-4-1，且在顶层金属层有连接两层金属层的金属化通孔1-4-2，并缝隙电容1-4-1与中心的金属化通孔1-4-2所等效的电感共同构成缝隙电容谐振结构1-4。作为优选及技术限制，环形缝隙的内径为4.6mm，外径为4.76mm，金属化通孔的半径为0.2mm。
如图3（a）与图3（b）所示，所述微流道芯片2的底面刻蚀了一条单向导通的环形微流道2-1，该微流道2-1是对称中心为微流道芯片2中心的中心对称图形。微流道2-1中间为一环形流道，两端分别为对称的进出流道，进出流道的起点与终点区域均有相应的开放性通孔2-3，在通孔2-3的上方装有圆柱形管座4，两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4的圆心与开放式通孔2-3的圆心位于同一条竖直直线上。作为优选，微流道芯片2的厚度为1.2mm，微流道2-1的深度为0.4mm。
在本实施例中，微流道芯片的材料为ptfe，利用其低损耗正切角的特性可以有效维持微波传感器的高品质因数，同时ptfe优良的化学惰性极大，使所设计传感器的应用范围更广。
所述衬底集成波导1的中间介质层开有两组对称分布的开放式通孔1-3，作为优选地，通孔的半径为1.6mm，相应的微流道芯片的对应位置上也开有相同的开放式通孔2-3，在安装时，通过开放式通孔1-3与开放式通孔2-3实现微流道芯片与衬底集成波导的安装固定，保证微流道2-1与环形缝隙1-4-1的位置精确对准，用六角螺丝3进行固定。
图4展示了本发明提出的微波传感器对具有不同相对介电常数的样品的谐振频点变化情况。当微流道2-1内未填充任何测试媒质时，传感器的谐振频点为3.08ghz，此时传感器的电场被集中约束在环形缝隙电容处，与微流道区域相重合。当测试媒质被注入到微流道2-1之中后，会与环形缝隙电容处的电场相作用，使得传感器的谐振频点发生改变。当测试媒质的相对介电常数从1到60间断变化时，传感器的谐振频点从3.08ghz减小到1.02ghz，极大的提高了传感器的灵敏度，实现了液体媒质的快速无损精确检测。
本发明将衬底集成波导与缝隙电容谐振技术相结合，并将微流道芯片引入传感器的液体媒质测试中，利用缝隙电容处电场高度集中及微流道芯片可精准控制微量流体的优点，最终获得了一个非侵入式、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。
1.一种基于衬底集成波导和缝隙电容谐振技术的微波传感器，其特征在于：所述微波传感器包括结合缝隙电容谐振结构的衬底集成波导（1）和固定在所述衬底集成波导（1）上的微流道芯片（2）；
所述衬底集成波导（1）包括顶层金属层、中间介质层及底层金属层三层结构；在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多排连接顶层金属层与底层金属层的金属化通孔（1-1），横排和纵排的金属化通孔（1-1）一起围成矩形谐振腔；所述顶层金属层在平面上的左右区域各有一条关于纵轴对称的共面波导馈电线（1-2），被约束在关于横轴对称的横排金属化通孔内；
所述衬底集成波导（1）在顶层金属层上表面的中心区域刻蚀有环形缝隙（1-4-1），形成缝隙电容，并与顶层金属层中心的金属化通孔（1-4-2）所等效的电感共同构成缝隙电容谐振结构（1-4）；
所述微流道芯片（2）固定在衬底集成波导（1）上，其底面有关于微流道芯片中心对称的单向导通微流道（2-1）；所述微流道（2-1）中间为环形流道，两端为对称的进出流道，形成中心对称图形；所述微流道的环形流道与环形缝隙的位置重合，在微流道（2-1）的起点和终点各有一个开放式通孔（2-3），两个通孔关于横轴对称，在其上方均对应装有管座（4）。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述缝隙电容谐振结构（1-4）的环形缝隙（1-4-1）的内径为4.6mm，外径为4.76mm，与环形缝隙（1-4-1）同圆心的金属化通孔（1-4-2）的内径为0.2mm。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述顶层金属层上的共面波导馈电线（1-2）的馈入深度为20.5mm，馈电线宽度为1.5mm；馈电线两侧的长条形凹槽的宽度为0.3mm。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述中间介质层的材料为f4b，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0009，厚度为1.2mm。
5.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述微流道芯片（2）的厚度为0.8mm，微流道（2-1）的深度为0.4mm。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述微流道（2-1）的对称中心为微流道芯片（2）的中心。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于：微流道（2-1）的环形流道的圆心与环形缝隙（1-4-1）的圆心位置对应重合，环形流道的内径为3.5mm、外径为5.5mm。
8.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述衬底集成波导上有至少两个关于纵轴对称的开放性通孔（1-3），所述微流道芯片（2）在对应位置也有开放式通孔（2-2），两者通过所述通孔由螺钉固定为一体。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述管座的中心线与通孔的中心线在同一直线上。
10.根据权利要求1或所2述的传感器，其特征在于：所述微流道芯片使用为ptfe材料制作。
技术总结