CN103743956B - 高灵敏液态物质介电常数传感器 - Google Patents

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Abstract

一种高灵敏液态物质介电常数传感器，包括第一金属薄膜，在矩形金属薄膜上设有第一矩形介质层，在第一矩形介质层上设有第二金属薄膜，在第二金属薄膜上设有矩形测试膜片隔离层，在矩形测试膜片隔离层上设有第二矩形介质层且第二矩形介质层的介电常数小于第一矩形介质层，在第一金属薄膜设有镂空，镂空由第一C形镂空和第二C形镂空构成且第一C形镂空和第二C形镂空呈背靠背设置，第二金属薄膜由第一C形金属箔和第二C形金属箔构成且第一C形金属箔和第二C形金属箔呈背靠背设置，镂空的形状与第二金属薄膜的形状互为相似形，第二矩形介质层的中心设有圆孔。本发明能在0.5GHz到150GHz范围内实时高精度测量液态物质的复数介电参数。

Description

高灵敏液态物质介电常数传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种高灵敏液态物质介电常数传感器。
背景技术
传统的介电常数测试方法主要包括电桥法、谐振法、直流测量法、微波测量法等，这些方法各有特点和适用范围，因此实际使用时要根据材料的性能、样品的形状和尺寸大小、所需测量的频率范围等选择适当的测量方法。
特别的，当某些材料是具有损耗特性时，其相应的介电常数是复数量，针对这样的材料进行测量，需要特别的处理。一般情况下，无论固态物质还是液态物质，其损耗都较小，通常其损耗角正切在0.001到0.02之间。对于损耗极小的物质，高精度的确定其损耗角正切具有一定的复杂度和难度。
发明内容
本发明提供一种能够在0.5GHz到150GHz范围内实时高精度测量液态物质的复数介电参数的高灵敏液态物质介电常数传感器。
本发明采用如下技术方案：
一种高灵敏液态物质介电常数传感器，包括：第一金属薄膜，在矩形金属薄膜上设有第一矩形介质层，在第一矩形介质层上设有第二金属薄膜，在第二金属薄膜上设有矩形测试膜片隔离层，在矩形测试膜片隔离层上设有第二矩形介质层且第二矩形介质层的介电常数小于第一矩形介质层，在所述第一金属薄膜设有镂空，所述镂空由第一C形镂空和第二C形镂空构成且第一C形镂空和第二C形镂空呈背靠背设置，所述第二金属薄膜由第一C形金属箔和第二C形金属箔构成且第一C形金属箔和第二C形金属箔呈背靠背设置，所述镂空的形状与第二金属薄膜的形状互为相似形，在所述第二矩形介质层的中心设有圆孔。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
互为相似形的镂空与第二金属薄膜，使得第一金属薄膜与第二金属薄膜形成互补，构成互补超材料结构，基于超材料的亚波长谐振特性，所构建的基本单元尺寸小于十分之一波长，该超材料由于采用互补结构，能够在很宽的频带内保证与空气波阻抗377欧姆相匹配，其次基于超材料谐振原理，放置于该结构之上的液态物质的参数的微小变化，将会导致共振特性显著变化，通过反演计算方法和标定，可以非常灵敏的确定被测液态物质的介电常数。现有的测量方法通常包括电桥法、常规谐振法、直流测量法、微波测量法，以典型的平板电容器和圆柱型电容器方法为例，其中平板电容器测量简单方便，但稳定性稍差，易受干扰;而圆柱电容器的结构比较稳定，不易受到干扰，因此测试精度就更高，通常也就是处于0.1到0.01数量级。相比于本发明中的测试传感器而言，本发明中只要采用的频谱分析仪精度合适，就很容易达到很高的精度，比如通常可以达到0.001数量级，甚至更高，而且整体传感器结构及其简单。
附图说明
在结合附图阅读描述后，本发明的上述目的、其它特征和优点都会更明显，其中：
图1是本发明的整体结构侧视图。
图2是本发明的第一金属薄膜俯视图。
图3是本发明的第一金属薄膜的A-A剖视图。
图4是本发明的第一矩形介质层俯视图。
图5是本发明的第二金属薄膜俯视图。
图6是本发明的矩形测试膜片隔离层俯视图。
图7是本发明的第二矩形介质层俯视图。
图8是本发明第二矩形介质层的B-B剖视图。
图9是本发明针对液态溶液1介电参数为81时的对应的S11参数曲线图。
图10是本发明针对液态溶液2介电参数为80.5时的对应的S11参数曲线图。
具体实施方式
一种高灵敏液态物质介电常数传感器，包括：第一金属薄膜1，在矩形金属薄膜1上设有第一矩形介质层3，在第一矩形介质层3上设有第二金属薄膜4，在第二金属薄膜4上设有矩形测试膜片隔离层5，在矩形测试膜片隔离层5上设有第二矩形介质层6且第二矩形介质层6的介电常数小于第一矩形介质层3，在所述第一金属薄膜1设有镂空2，所述镂空2由第一C形镂空21和第二C形镂空22构成且第一C形镂空21和第二C形镂空22呈背靠背设置，所述第二金属薄膜4由第一C形金属箔41和第二C形金属箔42构成且第一C形金属箔41和第二C形金属箔42呈背靠背设置，所述镂空2的形状与第二金属薄膜4的形状互为相似形，在所述第二矩形介质层6的中心设有圆孔7，主要用于放置被测液态物质。所述第二金属薄膜4在第一金属薄膜1上的投影落入第一金属薄膜1的镂空2内部。相对于第一矩形介质层来说，所述第二矩形介质层为一层低介电常数低损耗矩形介质层。
本发明的典型工作波段为0.5GHz到150GHz，主要用于测试该波段范围内的液态物质的介电常数，改传感器具有结构紧凑、灵敏度高、测量精度高，且能够实时测量等显著优点。主要用于电磁物理、生物医学中对特定的一些液态物质或者溶液进行测量。
下面是本发明的一个优选实施例的详细内容，实施例结合附图进行说明。在可能的情况下，用于所有附图和说明的同一标号表示相同或相似的部分。该实施例是一种用于测试液态物质在微波波段介电常数，由下至上包括五层结构，最外延宽度为7.2mm，最下一层材质为矩形铜薄膜，厚度为17um，在该金属薄膜中间有一准工字形状部分被腐蚀镂空，镂空部分宽度为1.8mm；在该金属薄膜上侧为一层矩形介质材料，介电常数为60+0.24i，其厚度为0.95mm；在该介质材料上侧为一层铜薄膜，厚度为17um，该金属薄膜形状为准工字形，金属线宽为1mm；在该准工字型薄膜上侧为一层矩形测试膜片隔离层，介电常数为2.2+0.004i，其厚度为0.05mm；在该隔离层上侧为一层低介电常数低损耗矩形介质材料，介电常数为2.2+0.004i，其厚度为0.2mm，在该介质材料中心有一圆形凹槽，其直径为6mm，主要用于放置被测液态物质。考虑两种不同的液态水溶液，溶液1的介电常数为81，溶液2的介电常数为80.5。对应溶液1的谐振频率是125.103MHz，如图9所示，对应溶液2的谐振频率是125.378MHz，如图10所示。显然，通过这样的特殊谐振结构，能够有效的区分液态溶液不同的介电常数。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化，和等同物有所附的权利要求书的内容涵盖。

Claims (2)

1.一种高灵敏液态物质介电常数传感器，其特征在于，包括：第一金属薄膜(1)，在第一金属薄膜(1)上设有第一矩形介质层(3)，在第一矩形介质层(3)上设有第二金属薄膜(4)，在第二金属薄膜(4)上设有矩形测试膜片隔离层(5)，在矩形测试膜片隔离层(5)上设有第二矩形介质层(6)且第二矩形介质层(6)的介电常数小于第一矩形介质层(3)的介电常数，在所述第一金属薄膜(1)设有镂空(2)，所述镂空(2)由第一C形镂空(21)和第二C形镂空(22)构成且第一C形镂空(21)和第二C形镂空(22)呈背靠背设置，所述第二金属薄膜(4)由第一C形金属箔(41)和第二C形金属箔(42)构成且第一C形金属箔(41)和第二C形金属箔(42)呈背靠背设置，所述镂空(2)的形状与第二金属薄膜(4)的形状互为相似形，在所述第二矩形介质层(6)的中心设有圆孔(7)。
2.根据权利要求1所述的高灵敏液态物质介电常数传感器，其特征在于，第二金属薄膜(4)在第一金属薄膜(1)上的投影落入第一金属薄膜(1)的镂空(2)内部。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105699787B (zh) * 2016-03-04 2018-07-06 中国矿业大学 基于阻抗分析仪的煤岩介电常数测量方法
CN113406397B (zh) * 2021-07-15 2022-07-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 低温固体介电常数测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0791823A2 (de) * 1996-02-20 1997-08-27 Hauni Maschinenbau Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes
CN1482452A (zh) * 2003-06-13 2004-03-17 四川大学 高灵敏度液体介电常数测量探头
CN101435788A (zh) * 2008-12-17 2009-05-20 中国人民解放军国防科学技术大学 基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统
JP4941293B2 (ja) * 2005-03-23 2012-05-30 日本電気株式会社 共振器、プリント基板及び複素誘電率の測定方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3825299B2 (ja) * 2001-10-29 2006-09-27 京セラ株式会社 誘電定数測定法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0791823A2 (de) * 1996-02-20 1997-08-27 Hauni Maschinenbau Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes
CN1482452A (zh) * 2003-06-13 2004-03-17 四川大学 高灵敏度液体介电常数测量探头
JP4941293B2 (ja) * 2005-03-23 2012-05-30 日本電気株式会社 共振器、プリント基板及び複素誘電率の測定方法
CN101435788A (zh) * 2008-12-17 2009-05-20 中国人民解放军国防科学技术大学 基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Simultaneous Dielectric Monitoring of Microfluidic Channels at Microwaves Utilizing a Metamaterial Transmission Line Structure;M. Schüßler等;《34th Annual International Conference of the IEEE EMBS》;20120901;6273-6276 *
光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究;牟海维等;《光学仪器》;20111231;第33卷(第6期);58-61 *

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