CN105026919A - 用于测定介质的介电特性的传感器和方法 - Google Patents

Abstract

建议用于测定介质（205）的介电特性的传感器（300）。所述传感器（300）具有带有至少一个贯通接触部（203、204）的衬底（301、302）和关于衬底（301）的上表面平面地被布置的波导管（12）。所述波导管（12）能够通过至少一个贯通接触部（203、204）与分析设备（20）连接。另外，所述波导管（12）被设立用于，从分析设备（20）接收输入信号并且向分析设备（20）输出输出信号，其中输入信号和输出信号的特性在波导管（12）与介质（205）接触时指示介质（205）的介电特性。通过关于所述衬底（301）平面地布置波导管（12），能够实现更大的测量范围和改善的测量精度。另外，通过所述平面的结构实现紧凑的结构方式。此外建议用于借助于传感器测定介质的介电特性的方法以及传感器装置。

Description

用于测定介质的介电特性的传感器和方法

技术领域

本发明涉及用于测定介质的介电特性的传感器和方法。此外本发明涉及具有这样的传感器的传感器装置以及分析设备。

背景技术

在不同的技术领域上可能需要确定介质的一个或多个介电特性。这样的确定可以例如借助微波实现，其中可以使用不同的方法，如例如透射测量、反射测量或者谐振测量。在透射测量中，介电特性基于信号通过介质或者导体的通行（透射）被测定。在反射测量中，介电特性基于信号在介质处或者借助于介质的反射被测定。所述谐振测量基于介质的谐振特性（也即振动特性）的测定，所述谐振特性重又可以被使用用于测定介电特性。

这些测量的结果可以被考虑用于测定介质的介电特性，尤其复介电常数。这些特性可以说明介质的不同的其他特性。例如在介质中葡萄糖、酒精或者盐的浓度属于此。

所述介电常数的确定可能在不同的领域中是期望的，如在医学中或者还在工业设备中、例如在过程测量仪表设施的范围内。在此情况下值得期望的是，已经可以确定小的浓度变化，对此高的测量精度是需要的。

发明内容

因此本发明的任务是，在测量精度方面改善介质的介电特性的测定。

因此，建议用于测定介质的介电特性的传感器。所述传感器具有带有至少一个贯通接触部的衬底和关于衬底的上表面平面地被布置的波导管。所述波导管能够通过至少一个贯通接触部与分析设备连接。此外，所述波导管被设立用于，从分析设备接收输入信号并且向分析设备输出输出信号，其中输入信号和输出信号的特性在波导管与介质接触时指示介质的介电特性。

利用所建议的传感器，透射测量和反射测量可以被执行。通过所述传感器的平面的结构，介质的介电特性的测量精度的改善被实现。此外可以实现紧凑的测量单元，由此所述传感器能够在大量技术领域中被使用。因为所述传感器可以具有小的尺寸，所以所述传感器还可以移动地被使用。所述传感器可以例如在医学领域中作为移动设备被使用，所述移动设备也可以直接地对人执行测量，其中所述介质可以对应于皮肤。因此可以取消取样。

此外，所述传感器可以在不同的工业设备中作为固定地安装的设备或者作为移动的设备被使用。在此情况下，同样地可以使所述传感器直接与所述介质接触，由此可以取消取样。

在所描述的传感器中，波导管关于衬底平面地被布置。印刷电路板可以例如被作为衬底使用。所述衬底可以由介电材料组成或者具有所述介电材料。

所述波导管可以是任何类型的波导管，其可以关于所述衬底的上表面平面地被布置。“关于所述衬底的上表面平面地”就此而论可以意味着在所述衬底的上表面上平面地或者与所述衬底的上表面平面地。优选地是平面的波导管。通过所述平面的布置可以实现紧凑的传感器单元。“平面的（planar）”可以被理解为波导管的布置，其中传感器装置的上表面是平的或者平坦的。

所述波导管能够通过贯通接触部与分析设备连接。贯通接触部就此而论表示孔，所述孔从衬底的上表面穿过所述衬底延伸到衬底的相反侧。

所述分析设备可以是任意的设备，其适合于向波导管发送输入信号，从所述波导管接收输出信号并且基于这两个信号的特性测定介质的介电特性。所述测定可以例如基于输入信号和输出信号的相位和/或振幅的比较实现，因为所述输入信号和输出信号的相位和/或振幅与材料有关地、即与介质有关地改变。

通过波导管发送的信号在波导管周围产生散射场。该（电磁）散射场穿过所述介质。在此，例如输入信号和输出信号的相位和/或振幅改变。这些改变可以被使用用于测定介质的（一个或多个）介电特性。

所述输入信号由分析设备产生。只要要执行的测量是透射测量，那么所述输入信号在波导管的一个末端处被馈入到波导管中，并且在波导管的另一末端处作为输出信号又被分析设备接收。在反射测量的情况下，输入信号在一个末端处被馈入到波导管中。在另一末端处，该另一末端在该情况下是开放的、也即未电连接的，信号从波导管进入介质中并且至少部分地被所述介质反射，并且被反馈到波导管中。该被反馈的信号重新被分析设备作为输出信号接收。

所述分析设备可以例如是网络分析器。这样的网络分析器可以是矢量网络分析器（VNA）。该分析器可以被使用用于测量电测量对象的散射参数。散射参数表示测量对象的反射特性和透射特性。与这里描述的传感器关联地，概念“测量对象”涉及介质。所述介质可以采用固态、液态或者气态的状态。在此此外可以是液体或者气体。

通过这里描述的传感器，因此提供成本低的用于测定介质的介电特性的设备。该设备提供在大的测量范围上的介电特性的测定。所述传感器可以在不取样的情况下被使用，并且因此在操纵上比传统的传感器更简单。

在一种实施方式中，所述波导管在衬底的上表面上平面地被布置。

根据该实施方式，所述波导管是平面的波导管，其被布置在衬底的上表面上。就此而论平面地意味着所述波导管是平坦的并且与衬底共同地构成平的面。

在另一实施方式中，所述波导管是带状线。

带状线可以是微带状线、共面线或者开槽线（Schlitzleitung）。其他类型的带状线或者其他平面的波导管也是可能的。这些类型的波导管提供以下优点，即所述波导管可以在例如传统的印刷电路板的衬底上平面地被布置。带状线通常由一个或多个薄的、能传导的条带组成，所述条带被施加在电介质（例如衬底）上。

在另一实施方式中，所述衬底具有至少两个贯通接触部，并且所述波导管通过至少两个贯通接触部能够与分析设备的输入端子和输出端子连接。

以这种方式，所述波导管可以利用其两个末端与所述分析设备连接。在该情况下，所述分析设备可以是双端口分析设备。所述布置被使用用于透射测量，其中输入信号通过分析设备被馈入到波导管的一个末端中，并且输出信号在波导管的另一末端处被接收。一旦所述波导管与要检查的介质接触，也即“被加负载”，输出信号的特性相比于输入信号改变。例如所谓的散射参数（S参数）可以被测定。该S参数作为频率的函数被测量并且说明反射和透射的值。从所述S参数中可以借助于合适的方法测定介质的介电特性、例如介电常数。

在另一实施方式中，波导管的一个末端与衬底平面地布置。

在该实施方式中，所述波导管被这样布置，使得仅波导管的一个末端布置在衬底的上表面处，并且所述波导管穿过贯通接触部伸展。波导管在衬底的上表面处的末端与衬底平面地布置。

在另一实施方式中，所述波导管被构造为开放式导体。

开放式导体、也即仅利用一个末端耦合到分析设备上而另一末端无电连接的导体如上所述被使用用于反射测量。被馈入到波导管中的信号在开放的末端处从所述波导管出来。通过所述要检查的介质，所述信号至少部分地又被反馈到波导管中。根据该反馈，S参数同样可以被测定。所述网络分析器可以在该情况下被构造为单端口。

在另一实施方式中，所述衬底具有介电材料。

所述衬底可以是印刷电路板，其由介电材料组成。

在另一实施方式中，保护层被布置在衬底的上表面上方。

这样的保护层可以用于防止污染或者还防止湿气通过所述介质。所述保护层可以例如是薄膜。作为用于保护层的材料，例如聚对二甲苯C或者硅树脂可以被使用。这些材料可以在高的温度范围上被使用。其他材料同样可以被使用。优选地，所述材料应当不影响波导管的高频特性。所述保护层可以是非常薄的、例如几微米厚、例如在5至10微米范围内，这同样有助于不影响波导管的高频特性。

在另一实施方式中，所述衬底具有下衬底层和上衬底层。

两个衬底层可以由同一材料制成。所述分析设备可以被集成在下衬底层中。

在另一实施方式中，接地层被布置在上衬底层和下衬底层之间。

所述接地层将上衬底层与下衬底层分离。如果贯通接触部不通过整个衬底、而是仅通过一个衬底层伸展直至接地层，那么通过所述接地层能够实现与地的连接。所述接地层可以由金属组成或者具有金属化部。

在另一实施方式中，所述波导管通过同轴接头在下衬底层上与另一波导管连接。

同轴接头表示在该波导管和另一波导管或者另一导体之间的宽带接头、也即连接。这意味着所述波导管能够通过宽带接头与分析设备连接。宽带接头提供宽的频率范围的传输。为此同轴接头被使用。这些接头借助于同轴导体被提供，所述同轴导体具有内部导体，以及围绕该内部导体同中心布置地具有另一导体。该另一导体可以由多个单个导体组成。通过这些布置，宽带接头（通过同轴接头）以及多层接头（通过多个波导管）被提供。

此外用于测定介质的介电特性的传感器装置被建议。所述传感器装置具有上面阐述的传感器和分析设备，所述分析设备与传感器连接。

在一种改进方案中，所述分析设备被集成在传感器的衬底中。

所述分析设备可以直接地被集成到衬底中。所述波导管在该情况下处于传感器装置的一侧上，并且所述分析设备处于传感器装置的相反侧上。以这种方式，一方面可以实现紧凑的传感器装置。另一方面可能的是仅使传感器装置的具有波导管的侧与介质接触，使得所述分析设备被保护。

在另一改进方案中，所述分析设备是网络分析器。

网络分析器（VNA）在高频技术中被使用，以便作为频率的函数测量电测量对象（这里所述介质）的散射参数（S参数）、也即反射和透射。

所述网络分析器可以将信号（外发的波）发送到波导管中，所述波导管与要检查的对象（被测器件（device under test））、也即介质接触。信号的频率、振幅和相位是已知的。所述介质反射该信号的一部分（在输入端处返回的波），该部分在反射测量情况下表示输出信号。剩下的、也即未反射的信号在介质中运行到波导管中，在那里被改变（例如衰减、增强或者移相）并且在波导管的输出端处作为所传输的信号（在输出端处返回的波）被网络分析器再次接收。输入信号和输出信号之间的差异如上所述被使用用于测定介质的介电特性。

此外，建议用于借助于传感器测定介质的介电特性的方法。所述传感器具有带有至少一个贯通接触部的衬底和关于衬底的上表面平面地被布置的波导管，其中所述波导管能够通过至少一个贯通接触部与分析设备连接。所述方法作为第一步骤包括从分析设备接收输入信号。在另一步骤中，将输出信号输出给分析设备，其中输入信号和输出信号的特性在波导管与介质接触时指示介质的介电特性。

本发明的上述特性、特征和优点以及类型和方式（如所实现的这些）结合实施例的以下描述变得更清楚和更明确地易懂，所述实施例结合附图进一步被阐述。

附图说明

其中：

图1示出用于测定介质的介电特性的传感器的实施例的示意性视图；

图2示出用于测定介质的介电特性的传感器装置的第一实施例的示意性视图；

图3示出用于测定介质的介电特性的传感器装置的第二实施例的示意性视图；

图4示出用于测定介质的介电特性的传感器装置的第三实施例的示意性视图；

图5示出用于根据图1的传感器或者用于根据图2至4之一的传感器装置的同轴接头的实施例的示意性俯视图；

图6示出用于根据图1的传感器或者用于根据图2至4之一的传感器装置的同轴接头的实施例的示意性侧视图；

图7示出用于根据图1的传感器或者用于根据图2或3之一的传感器装置的同轴接头的实施例的示意性俯视图；和

图8示出用于测定介质的介电特性的方法的示例的示意性流程图。

只要未另外说明，在图中相同的或者功能相同的元件配备有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出用于测定介质的介电特性的传感器10的实施例。所述传感器10具有衬底11，其中波导管12关于所述衬底11平面地布置在衬底11的上表面上。

关于所述衬底11平面地可以意味着不仅在衬底11的上表面上平面地，以及与衬底11平面地。这在以下图中还进一步被阐述。虽然在图1中所述波导管12为了阐明而突出所述衬底11，但是衬底11的上表面与波导管12一起基本上是平的。

通过贯通接触部13可以将所述波导管与分析设备20、例如网络分析器连接。所述矢量网络分析器（VNA）20向波导管12发送信号，或者将信号耦合到波导管12中，并且从波导管12接收信号。基于这些信号，所述VNA 20可以测定介质的介电特性，其中使所述介质与传感器10接触。利用所述传感器10，所述反射测量是可执行的。

用于透射测量的装置的示例在图2中被示出。传感器装置200中的传感器10具有两个衬底层：上衬底层201和下衬底层202。使所述波导管12与介质205、例如在容器206中的液体接触。所述容器206可以如此大地被选择，使得该容器对测量没有影响。

所述波导管12通过多层宽带接头203、204与VNA 20连接。所述传感器10可以成本低地在商业上通用的衬底（如印刷电路板）上被制成。所述VNA 20如在图2中所示出的那样可以集成在下衬底层202中。可替代地，所述VNA 20也可以被布置在外部。然而，整体的结构提供特别紧凑的传感器装置。

如在图3的传感器装置300中看出的，所述VNA 20可以是具有两个端口305、306的双端口网络分析器，用于测量离散的频率。为了也可以确定在介质205中例如酒精、盐或者糖含量的小的浓度变化，高的测量精度是值得期望的，所述高的测量精度可以通过传感器和传感器装置的这里描述的实施例来实现。所述端口305、306经由穿过所述贯通接触部的连接307（例如电缆）与波导管12连接。

如图3中所示的，保护层304、例如薄膜可以被安置在传感器10上方，以便提高传感器10的鲁棒性。所述保护层304保护传感器10免受污染或者液体渗入。由此也可以防止液体透过衬底11。

在该实施方式中，接地层303被布置在上衬底层301和下衬底层302之间。通过该接地层303，从上衬底层301到地的连接成为可能的，而不必将所述连接引导穿过下衬底层302。这同样导致简化的和紧凑的传感器装置300。

在图4中的传感器装置400情况下，所述波导管12与上衬底层301的上表面平面地被布置。波导管12的一个末端因此与上表面端接。所述波导管12通过同轴接头401与VNA 20的端口402连接，所述VNA 20在该情况下是单端口网络分析器。

另一波导管（这里未示出）、例如微带状线，可以处于下衬底层302的下侧上。它通过同轴接头401转变为开放的导体。

图5示出这样的同轴接头500。该同轴接头500可以被使用用于彼此连接两个波导管或者将波导管12与VNA 20连接。中央导体501提供从上衬底层301到下衬底层的贯通接触部。由绝缘层502以厚度r_i（内半径）包围中央导体。第二绝缘层503包围该绝缘层502。第三绝缘层505又包围第二绝缘层503。所述绝缘层502、503、505同心地围绕中央导体501布置。贯通接触部504被布置在第三绝缘层505中，所述贯通接触部提供与接地层的连接。

如在图6中所示的，所述贯通接触部504仅仅伸展直至接地层303。在图6中第一波导管500被布置在上衬底层301上，并且第二波导管500被布置在下衬底层302上。所述两个波导管500经由同轴接头的中央导体501彼此连接。所述中央导体501通过绝缘层601或者空隙与接地层303电分离。

在用于透射测量的传感器装置300情况下，如例如在图3中所示的，所述波导管12通过贯通接触部与VNA 20连接。在图7中，用于这样的传感器的同轴接头700被示出。所述两个示出的同轴接头500通过微带状线701或者其他波导管被连接。同轴接头的耦合长度l_k、也即微带状线的长度，可以根据测量频率和所述要检查的介质205被选择，以便实现最优的波导。所述半径r_i和r_a的选择可以影响测量的灵敏性。

图8示出用于测定介质205的介电特性的方法800的示意性流程草图。在此情况下，在第一步骤801中，如在图1至7中所述的传感器10的波导管12从分析设备20接收输入信号。在第二步骤802中，所述波导管12向分析设备20输出输出信号。如果所述波导管12与介质205接触，那么输入信号和输出信号的特性指示介质205的介电特性。所述介电特性可以如上所述进一步被确定和被使用。

如已经描述的，这里描述的传感器和相应的传感器装置与已知的传感器相比在制造中是成本低的。所述传感器可以在不同的测量环境中被使用并且简单地被集成。测量的灵敏性可以通过相应地选择同轴接头的半径r_i和r_a被设定。另外通过平面的结构，紧凑的测量设备是可实现的，因为传感器和分析设备可以构成一个单元。附加地，更大的测量范围和改善的测量精度能够被实现。

尽管本发明详细地通过所述优选的实施例进一步说明和描述，但是本发明不通过公开的示例限制，并且技术人员在不离开本发明的保护范围的情况下，可以从中得出其他变体。

Claims (15)

1.用于测定介质（205）的介电特性的传感器（10），具有：

衬底（11），所述衬底具有至少一个贯通接触部（13），和

波导管（12），所述波导管关于衬底（11）的上表面平面地被布置，

其中所述波导管（12）能够通过至少一个贯通接触部（13）与分析设备（20）连接，

其中所述波导管（12）被设立用于，从分析设备（20）接收输入信号，并且向分析设备（20）输出输出信号，其中输入信号和输出信号的特性在波导管（12）与介质（205）接触时指示介质（205）的介电特性。

2.根据权利要求1所述的传感器（10），其特征在于，所述波导管（12）在衬底（11）的上表面上平面地被布置。

3.根据权利要求1或2所述的传感器（10），其特征在于，所述波导管（12）是带状线。

4.根据权利要求1至3之一所述的传感器（10），其特征在于，所述衬底（11）具有至少两个贯通接触部（307），并且所述波导管（12）能够通过至少两个贯通接触部（307）与分析设备的输入端子和输出端子连接。

5.根据权利要求1所述的传感器（10），其特征在于，波导管（12）的一个末端与衬底（11）平面地被布置。

6.根据权利要求5所述的传感器（10），其特征在于，所述波导管（12）被构造为开放的导体。

7.根据上述权利要求之一所述的传感器（10），其特征在于，所述衬底（11）具有介电材料。

8.根据上述权利要求之一所述的传感器（10），其特征在于，保护层（304）布置在衬底（11）的上表面上方。

9.根据上述权利要求之一所述的传感器（10），其特征在于，所述衬底（11）具有上衬底层（201、301）和下衬底层（202、302）。

10.根据权利要求9所述的传感器（10），其特征在于，接地层（303）被布置在上衬底层（301）和下衬底层（302）之间。

11.根据权利要求9至10之一所述的传感器（10），其特征在于，所述波导管（12）通过同轴接头（203、204）与在下衬底层（202、302）上的另一波导管连接。

12.用于测定介质（205）的介电特性的传感器装置（100），具有：

根据权利要求1至11之一所述的传感器（10），和

分析设备（20），其与传感器（10）连接。

13.根据权利要求12所述的传感器装置（100），其特征在于，所述分析设备（20）被集成在传感器（10）的衬底（202）中。

14.根据权利要求12或13所述的传感器装置（100），其特征在于，所述分析设备（20）是网络分析器。

15.用于借助于传感器（10）测定介质（205）的介电特性的方法，其中所述传感器（10）具有带有至少一个贯通接触部（13）的衬底（11）和关于衬底（11）的上表面平面地被布置的波导管（12），其中所述波导管（12）能够通过至少一个贯通接触部（13）与分析设备（20）连接，具有以下步骤：

从分析设备（20）接收输入信号，并且

向分析设备（20）输出输出信号，其中输入信号和输出信号的特性在波导管（12）与介质（205）接触时指示介质（205）的介电特性。