一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器制造技术

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。本发明专利技术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。

Humidity sensor based on substrate integrated waveguide reentry resonator

【技术实现步骤摘要】
一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器
本专利技术属于传感器领域，具体涉及适用于检测空气相对湿度的微波无源传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。所述四块介质基板纵向叠合，第一介质基板和第二介质基板的扇形凹槽上下对齐，第三介质基板和第四介质基板扇形凹槽上下对齐，形成扇形的谐振腔腔体。所述共面波导馈电线位于第一介质基板的顶层金属层，从谐振腔腔体的扇形弧长中间位置馈入，其目的是用于激励谐振腔。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的中间介质层均刻蚀有数个金属化通孔，均匀地分布在谐振腔腔体的外围及共面波导馈电线的两侧，其目的是用于等效谐振腔的金属边界。本专利技术的有益效果具体如下：1.本专利技术将折叠技术应用于衬底集成波导重入式谐振腔，即将谐振腔设计成由一个圆形重入式谐振腔沿直径折叠结构的二分之一模构成，在结构加工精度范围内，保证纵向叠合对准精度，结构器件特性和非折叠原始器件特性基本一致(谐振频点和Q值)，这样极大程度地缩减了谐振腔的相对尺寸，解决了现有微波无源传感谐振结构体积大的缺点，满足了现代射频传感检测系统小型化与高度集成化的发展需求，具有更广阔的应用范围。2.本专利技术利用谐振腔诱导电场高度集中的优点，在谐振腔内引入扇形传感区域，并通过空气通孔将环境中的湿空气导入谐振腔内部传感区，实现了湿空气介质与谐振腔诱导电场间的高强度相互作用，从而显著提高了传感器的传感灵敏度。3.本专利技术所提出的折叠型衬底集成波导重入式谐振腔湿度传感器为封闭式结构，电磁能量被良好地限制在谐振腔内部，无法向自由空间中辐射，从而保证了谐振腔高品质因数的特性，进而提高了传感器的传感检测分辨率。4.本专利技术所提出的折叠型衬底集成波导重入式谐振腔结构具有高度可调的谐振频点，在不改变谐振腔整体尺寸的条件下通过简单调整优化谐振腔内部的关键结构参数即可实现对工作频点的灵活调整，适用范围更广。附图说明图1是本专利技术提出的湿度传感器的截面示意图；图2是本专利技术提出的湿度传感器的立体分解示意图；图3(a)是本专利技术提出的湿度传感器的第一介质基板的正面示意图；图3(b)是本专利技术提出的湿度传感器的第一介质基板的背面示意图；图4(a)是本专利技术提出的湿度传感器的第二介质基板的正面示意图；图4(b)是本专利技术提出的湿度传感器的第二介质基板的背面示意图；图5(a)是本专利技术提出的湿度传感器的第三介质基板的正面示意图；图5(b)是本专利技术提出的湿度传感器的第三介质基板的背面示意图；图6(a)是本专利技术提出的湿度传感器的第四介质基板的正面示意图；图6(b)是本专利技术提出的湿度传感器的第四介质基板的背面示意图；图7是本专利技术提出的湿度传感器在不同相对空气湿度条件下的传输响应曲线；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专利技术做进一步说明：如图1至图6(a)和图6(b)所示，本专利技术提出的基于衬底集成波导重入式谐振腔的传感器包含一个衬底集成波导重入式谐振腔(1)和一段特征阻抗为50Ω的共面波导馈电线(2)。所述谐振腔(1)包括第一介质基板(1-1)、第二介质基板(1-2)、第三介质基板(1-3)及第四介质基板(1-4)，四块基板纵向叠加，中间形成谐振腔腔体，谐振腔腔体的形状是四分之一圆形。第一介质基板(1-1)、第二介质基板(1-2)、第三介质基板(1-3)及第四介质基板(1-4)均包含顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构。第一介质基板(1-1)、第二介质基板(1-2)、第三介质基板(1-3)及第四介质基板(1-4)的中间介质层材料均相同，在本实施例中，该材料为F4B-2，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗正切角为0.001。第一介质基板(1-1)、第二介质基板(1-2)、第三介质基板(1-3)及第四介质基板(1-4)的整体长度与宽度均相同，作为优选，其长度与宽度均为45mm。第一介质基板(1-1)与第四介质基板(1-4)的各层具有相同的厚度，作为优选，其总厚度为2mm。第二介质基板(1-2)与第三介质基板(1-3)各层具有相同的厚度，作为优选，其总厚度为0.5mm。共面波导馈电线(2)位于第一介质基板(1-1)的顶层金属层上，从谐振腔(1)腔体的扇形弧长中间位置馈入，其目的是为了实现谐振腔的激励。为满足输入端口阻抗匹配要求从而实现良好的激励本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器，其特征在于：所述湿度传感器包含衬底集成波导重入式谐振腔(1)和一段特征阻抗为50Ω的共面波导馈电线(2)；所述谐振腔(1)包括四块介质基板，每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构；所述第一介质基板(1‑1)的底层金属层、第二介质基板(1‑2)的顶层金属层、第三介质基板(1‑3)的底层金属层及第四介质基板(1‑4)的顶层金属层均刻蚀有一块形状面积相同的扇形凹槽(1‑6)；所述第一介质基板(1‑1)的底层金属层与第四介质基板(1‑4)的顶层金属层在所述扇形凹槽(1‑6)区域均留有一块扇形金属(1‑1‑1)未刻蚀，所述扇形金属(1‑1‑1)的半径小于所述扇形凹槽(1‑6)半径,角度相同；所述第一介质基板(1‑1)和第四介质基板(1‑4)的中间介质层在对应所述扇形金属(1‑1‑1)区域位置刻蚀有多个周期分布的金属化通孔(1‑1‑2)，所述扇形金属(1‑1‑1)和金属化通孔(1‑1‑2)共同形成谐振腔的电容柱结构；同时所述第一介质基板(1‑1)和第四介质基板(1‑4)的中间介质层刻蚀有数个非金属化空气通孔(1‑1‑3)，均匀分布在所述扇形金属(1‑1‑1)区域的两侧；所述第二介质基板(1‑2)的中间介质层的底部与第三介质基板(1‑3)的中间介质层的顶部均刻蚀有一块扇形凹槽(1‑2‑1)，形成传感区域；所述第二介质基板(1‑2)的底层金属层与第三介质基板(1‑3)的顶层金属层在对应扇形凹槽(1‑6)的两侧位置均刻蚀有一长条凹槽(1‑2‑2)，连成L型；所述四块介质基板纵向叠合，第一介质基板(1‑1)和第二介质基板(1‑2)的扇形凹槽(1‑6)上下对齐，第三介质基板(1‑3)和第四介质基板(1‑4)扇形凹槽(1‑6)上下对齐，形成扇形的谐振腔(1)腔体；所述共面波导馈电线(2)位于第一介质基板(1‑1)的顶层金属层上，从谐振腔(1)腔体的扇形弧长中间位置馈入；所述每一块介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔(1‑5)，均匀分布在谐振腔(1)腔体的外围与馈电线(2)的两侧，用于等效谐振腔的金属边界。...

【技术特征摘要】
1.一种基于衬底集成波导重入式谐振腔的湿度传感器，其特征在于：所述湿度传感器包含衬底集成波导重入式谐振腔(1)和一段特征阻抗为50Ω的共面波导馈电线(2)；所述谐振腔(1)包括四块介质基板，每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构；所述第一介质基板(1-1)的底层金属层、第二介质基板(1-2)的顶层金属层、第三介质基板(1-3)的底层金属层及第四介质基板(1-4)的顶层金属层均刻蚀有一块形状面积相同的扇形凹槽(1-6)；所述第一介质基板(1-1)的底层金属层与第四介质基板(1-4)的顶层金属层在所述扇形凹槽(1-6)区域均留有一块扇形金属(1-1-1)未刻蚀，所述扇形金属(1-1-1)的半径小于所述扇形凹槽(1-6)半径,角度相同；所述第一介质基板(1-1)和第四介质基板(1-4)的中间介质层在对应所述扇形金属(1-1-1)区域位置刻蚀有多个周期分布的金属化通孔(1-1-2)，所述扇形金属(1-1-1)和金属化通孔(1-1-2)共同形成谐振腔的电容柱结构；同时所述第一介质基板(1-1)和第四介质基板(1-4)的中间介质层刻蚀有数个非金属化空气通孔(1-1-3)，均匀分布在所述扇形金属(1-1-1)区域的两侧；所述第二介质基板(1-2)的中间介质层的底部与第三介质基板(1-3)的中间介质层的顶部均刻蚀有一块扇形凹槽(1-2-1)，形成传感区域；所述第二介质基板(1-2)的底层金属层与第三介质基板(1-3)的顶层金属层在对应扇形凹槽(1-6)的两侧位置均刻蚀有一长条凹槽(1-2-2)，连成L型；所述四块介质基板纵向叠合，第一介质基板(1-1)和第二介质基板(1-2)的扇形凹槽(1-6)上下对齐，第三介质基板(1-3)和第四介质基板(1-4)扇形凹槽(1-6)上下对齐，形成扇形的谐振腔(1)腔体；所述共面波导馈电线(2)位于第一介质基板(1-1)的顶层金属层上，从谐振腔(1)腔体的扇形弧长中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄杰，魏治华，李俊杉，倪星生，刘旭扬，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50