CN102680499A

CN102680499A - 基于mems技术的盐度检测传感器及其检测方法

Info

Publication number: CN102680499A
Application number: CN2012101335817A
Authority: CN
Inventors: 黄庆安; 韩磊; 殷刚毅
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明提供了一种基于MEMS技术的盐度检测传感器，微波信号源（102）连接到环形电桥（101）的第一端口（1），传感电极（104）连接到环形电桥（101）的第二端口（2），第一MEMS终端式微波功率传感器（1031）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032）分别连接到环形电桥（101）的第三端口（3）和第四端口（4）。本发明还提供了一种基于MEMS技术的盐度检测方法。本发明解决了盐溶液中电容效应对检测的各种不利影响，并具有高的可靠性、高的重复性、优异的性能、快的响应速度、小的体积、低的生产成本等特点。

Description

基于MEMS技术的盐度检测传感器及其检测方法

技术领域

本发明是利用不同盐度下检测电极对输入微波信号的反射系数不同，通过MEMS终端式微波功率传感器结构测量反射信号的功率变化得到盐溶液的盐度值，属于微电子器件技术领域。

背景技术

近年来，高速公路建设的规模十分巨大，因此大量公路路面的监测和维护日益重要。公路路面在实际的使用过程中，路面结冰会对整个路面结构产生不利的影响，并极大的增大了交通事故的发生几率。盐度检测传感器能够准确测量路面积水中除冰剂（主要成分是氯化钙、氯化纳、氯化镁等）的浓度和积水的结冰点，从而对公路路面的结冰温度进行实时测量和预警，因此对于高速公路系统的信息化和智能化以及交通事故的预防预警有着十分重要的意义。目前测量盐度的技术是基于相位检波法、双脉冲法、动态脉冲法和频率法的原理实现，其核心就是用脉冲或者正弦波信号加载到电导池电极上，通过对不同浓度盐溶液中电导率变化的检测实现盐度值的测量。但是，由于盐溶液的等效电路为电阻和电容的并联，在上述检测方法中核心是检测盐溶液电导率的变化，因此需要将盐溶液电容效应的影响降到最低，然而，由于电容效应的复杂性，使得其很难消除，且增加了整个电路的复杂性和响应时间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提一种基于MEMS技术的盐度检测传感器及其检测方法，应用发明的传感器可以消除电容效应对检测的影响，提高传感器的灵敏度、效应速度、可靠性并简化结构，解决在检测方法、复杂性、可靠性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器在路面传感器系统中的产业化应用提供了支持和保证。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MEMS技术的盐度检测传感器，该传感器包括微波信号源、环形电桥、传感电极以及第一MEMS终端式微波功率传感器和第二MEMS终端式微波功率传感器；环形电桥设有四个端口，即第一端口，第二端口，第三端口，第四端口；

微波信号源连接到环形电桥的第一端口，传感电极连接到环形电桥的第二端口，第一MEMS终端式微波功率传感器和第二MEMS终端式微波功率传感器分别连接到环形电桥的第三端口和第四端口。

优选的，第一MEMS终端式微波功率传感器和第二MEMS终端式微波功率传感器用于实现输入微波信号和反射微波信号的功率值测量和比较。

本发明还提供了一种基于MEMS技术的盐度检测方法，该方法包括如下步骤：微波信号源产生微波信号，并将微波信号通过第一端口传送到环形电桥，微波信号经环形电桥分配后分别经过第二端口和第四端口传送到传感电极和第二MEMS终端式微波功率传感器，由于传感电极感应到的不同浓度盐溶液的等效并联电阻和电容值不同，因此传送到传感电极的微波信号的反射系数会随着盐溶液浓度的不同而改变，被传感电极反射回的微波信号再次经过环形电桥通过第三端口传送到第一MEMS终端式微波功率传感器，通过比较第一MEMS终端式微波功率传感器和第二MEMS终端式微波功率传感器测量到的信号功率值实现盐度值的检测。

有益效果：长期以来由于受检测方法的限制，盐度检测传感器在检测过程中受到电容效应的影响，大大增加了检测电路的复杂性并降低了响应速度。本发明中的基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器，突破了传统盐度检测方法的电导率测量和电容效应的思维限制，寻找到了同时利用电阻和电容的变化加以检测的方法，并通过MEMS终端式微波功率传感器结构实现信号的测量，使得盐度检测传感器的灵敏度、复杂性、响应速度和可靠性都有了较大的改善。

附图说明

图1是基于MEMS技术的盐度检测传感器的组成结构图。

其中有：微波信号源102、环形电桥101、传感电极104以及第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032；环形电桥设有四个端口，即第一端口1，第二端口2，第三端口3，第四端口4；

图2是环形电桥和MEMS终端式微波功率传感器结构示意图。

其中有：环形电桥101、第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032，环形电桥第一端口1，第二端口2，第三端口3，第四端口4，匹配电阻r1和热电推e1。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1－2，本发明提供的基于MEMS技术的盐度检测传感器包括微波信号源102、环形电桥101、传感电极104以及第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032；环形电桥101设有四个端口，即第一端口1，第二端口2，第三端口3，第四端口4；

微波信号源102连接到环形电桥101的第一端口1，传感电极104连接到环形电桥101的第二端口2，第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032分别连接到环形电桥101的第三端口3和第四端口4。

第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032用于实现输入微波信号和反射微波信号的功率值测量和比较。

本发明还提供了一种基于MEMS技术的盐度检测方法，该方法包括如下步骤：微波信号源102产生微波信号，并将微波信号通过第一端口1传送到环形电桥101，微波信号经环形电桥101分配后分别经过第二端口2和第四端口4传送到传感电极104和第二MEMS终端式微波功率传感器1032，由于传感电极104感应到的不同浓度盐溶液的等效并联电阻和电容值不同，因此传送到传感电极104的微波信号的反射系数会随着盐溶液浓度的不同而改变，被传感电极104反射回的微波信号再次经过环形电桥101通过第三端口3传送到第一MEMS终端式微波功率传感器1031，通过比较第一MEMS终端式微波功率传感器1031和第二MEMS终端式微波功率传感器1032测量到的信号功率值实现盐度值的检测。

应用本发明中的基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器可以实现盐度检测模块在路面传感器系统中的产业化应用，进而推动整个路面传感器系统产业的发展。

本发明利用被检测盐溶液中等效并联电阻和电容值的变化实现微波信号反射系数变化的检测方法和MEMS终端式微波功率传感器结构，解决了盐溶液中电容效应对检测的各种不利影响，并具有高的可靠性、高的重复性、优异的性能、快的响应速度、小的体积、低的生产成本等特点。

本发明中的基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器不同于上述利用电导率的检测方法，其利用不同浓度盐溶液对应的导纳（包括电阻和电容）对微波信号不同的反射系数，通过MEMS终端式微波功率传感器检测被反射的微波信号功率的大小，从而得到盐度值。相比而言，基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器具有以下主要特点：一、本检测方法由于自身就考虑到了盐溶液中电容效应的影响，所以不需要复杂的电路以消除电容效应；二、本检测方法具有快的响应速度；三、MEMS终端式微波功率传感器具有灵敏度高、线性度好、体积小、结构简单等优点，这使得整个盐度检测传感器具有高性能的同时降低了整个器件的复杂性，从而极大提高其可靠性和一致性，并降低了成本；四、本发明由于采用MEMS终端式微波功率传感器结构，因此体积较小。

基于以上特点，很明显的可以看出本发明很好的解决了上文中提及的盐溶液中电容效应对检测的各种不利影响，并具有高的可靠性、高的重复性、优异的性能、快的响应速度、小的体积、低的生产成本等优点，很好的满足了路面传感器系统中对盐度检测传感器模块的基本要求。因此，基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

区分是否为该传感器的标准如下：

（a）采用环形电桥进行微波信号的分配，

（b）采用感应盐溶液导纳变化实现检测的方法，

（c）采用MEMS终端式微波功率传感器结构检测微波信号功率值。

满足以上三个标准的结构即应视为该基于MEMS终端式微波功率传感器结构的盐度检测传感器的结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1. 一种基于MEMS技术的盐度检测传感器，其特征在于：该传感器包括微波信号源（102）、环形电桥（101）、传感电极（104）以及第一MEMS终端式微波功率传感器（1031）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032）；环形电桥（101）设有四个端口，即第一端口（1），第二端口（2），第三端口（3），第四端口（4）；

微波信号源（102）连接到环形电桥（101）的第一端口（1），传感电极（104）连接到环形电桥（101）的第二端口（2），第一MEMS终端式微波功率传感器（1031）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032）分别连接到环形电桥（101）的第三端口（3）和第四端口（4）。

2. 根据权利要求1所述的基于MEMS技术的盐度检测传感器，其特征在于：第一MEMS终端式微波功率传感器（1031）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032）用于实现输入微波信号和反射微波信号的功率值测量和比较。

3. 一种基于MEMS技术的盐度检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：微波信号源（102）产生微波信号，并将微波信号通过第一端口（1）传送到环形电桥（101），微波信号经环形电桥（101）分配后分别经过第二端口（2）和第四端口（4）传送到传感电极（104）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032），由于传感电极（104）感应到的不同浓度盐溶液的等效并联电阻和电容值不同，因此传送到传感电极（104）的微波信号的反射系数会随着盐溶液浓度的不同而改变，被传感电极（104）反射回的微波信号再次经过环形电桥（101）通过第三端口（3）传送到第一MEMS终端式微波功率传感器（1031），通过比较第一MEMS终端式微波功率传感器（1031）和第二MEMS终端式微波功率传感器（1032）测量到的信号功率值实现盐度值的检测。