CN110320266B - 一种柔性微波传感器及其制备方法和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性电子器件领域，并具体公开了一种柔性微波传感器及其制备方法和检测方法。所述传感器包括柔性衬底、共面波导传输线和互补螺旋谐振器，共面波导传输线包括第一地线、第二地线以及共面波导信号传输线，互补螺旋谐振器刻蚀于共面波导信号传输线的中心区域，包括导电带、导电块以及间隙条。所述制备方法包括：对柔性衬底进行光刻、曝光显影，然后在图案上溅射共面波导传输线和互补螺旋谐振器。所述检测方法包括根据空载和加载情况下，传感器的等效电感和等效电容、谐振频率点信号幅度以及介电损耗和导体损耗模型，获取被测非金属材料的介电常数和损耗正切角模型。本发明传感器的检测流程简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子器件领域，更具体地，涉及一种柔性微波传感器及其制备方法和检测方法。
背景技术
微波检测具有设备简单、快速实时测量以及不受恶劣检测环境限制等特点，在航天航空、生物医疗、化工应用、食品工业等领域得到了广泛应用。微波检测技术是利用微波与被测材料间的相互作用，由于电磁场分布受到被测材料的电磁性能和几何参数的影响，通过测量微波信号反射、散射或者透射等参数的变化，可判断被测材料及其内部是否存在缺陷或测定其介电/磁导率等物理参数。由于微波不能穿透金属和导电性能较好的材料，因此微波检测一般用于检测非金属(介电类)材料的电磁参数及内部缺陷，或金属材料表面裂纹缺陷及粗糙度等。
常见的检测非金属材料介电性能的微波传感器件，一般基于传统硬质基底材料制备，使得这类微波传感器件不具有弯曲拉伸等能力，只适用于平面被测材料，极大地限制了实际应用场景。而且这类微波传感器件大都需要已知参考样品进行校准，有些还需对被测材料样品进行加工或处理，故繁琐了检测流程，且易产生误差。
因此，本领域亟待提出一种检测非金属材料介电性能的柔性微波传感器，能与待测非金属材料表面较好贴合，且不需要参考样品校准也能实现非金属材料介电性能的精确检测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性微波传感器及其制备方法和检测方法，其中通过其柔性微波传感器的相关构件进行了设计，相应的能够与待测非金属材料表面较好贴合，既无需已知参考样品校准，也无需对被测样品进行任何特殊加工处理，即可获取被测非金属材料的介电性能；此外，本发明还通过对共面波导传输线和互补螺旋谐振器的具体设备及其关键组件如地线、开槽、导电带、导电块以及间隙条等的结构及其设置方式进行改进，相应的可根据柔性微波传感器的集总等效电路模型进行分析，结合频域传输系数中谐振频率点以及信号幅度大小，获得被测非金属材料介电性能参数，包括介电常数和损耗正切角。本发明检测流程简单，测量精度高，因而有其适应于非金属材料介电性能参数的测量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种柔性微波传感器，包括柔性衬底、以及设于所述柔性衬底上表面的共面波导传输线和互补螺旋谐振器，其中，
所述共面波导传输线包括第一地线、第二地线以及共面波导信号传输线，所述第一地线和第二地线关于所述共面波导信号传输线对称布置，所述共面波导信号传输线与所述第一地线和第二地线之间设有开槽，所述共面波导信号传输线的中部区域刻蚀有所述互补螺旋谐振器；
所述互补螺旋谐振器包括导电带、导电块以及间隙条，所述导电带为回字纹结构，其一端与共面波导信号传输线连接，另一端与所述导电块连接，所述共面波导信号传输线、导电带和导电块之间的间隙共同构成回字纹结构的间隙条，该间隙条用于构成所述互补螺旋谐振器的等效电容，同时，所述导电带和导电块共同构成所述互补螺旋谐振器的等效电感。
进一步的，所述柔性衬底为PET薄膜，其厚度为50um～500um。
进一步的，所述第一地线、第二地线、共面波导信号传输线、导电带和导电块的厚度保持一致，均为1um～10um。
进一步的，所述第一地线、第二地线、共面波导信号传输线、导电带和导电块均采用导电材料制备而成，进一步的，所述导电材料为铜。
进一步的，所述间隙条与导电带的宽度比为1：1～10:1，进一步的，所述间隙条与导电带的宽度比为2:1。
按照本发明的另一个方面，提供一种柔性微波传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1将PET薄膜贴附在洁净的硅片上，对PET薄膜进行刻画处理，以获取柔性衬底，在所述柔性衬底的上表面旋涂正向光刻胶，并加热使所述正向光刻胶固化；
S2利用掩膜版对上表面旋涂有正向光刻胶的柔性衬底进行曝光显影，以获取共面波导传输线和互补螺旋谐振器的图案；
S3在所述共面波导传输线和互补螺旋谐振器的图案上依次溅射一层粘附材料和导电材料，以获取黏附于所述柔性衬底上的共面波导传输线和互补螺旋谐振器；
S4将S3制备得到的黏附有共面波导传输线和互补螺旋谐振器的柔性衬底进行清洗并从硅片上剥离开来，从而制备得到所述柔性微波传感器。
进一步的，步骤S3中，所述粘附材料为铬，所述导电材料为铜。
按照本发明的另一个方面，提供一种柔性微波传感器的检测方法，包括以下步骤：
S11建立柔性微波传感器的集总等效电路模型，以获取空载情况下互补螺旋谐振器的等效电感LC和等效电容CC，并测量得到柔性微波传感器空载情况下频域传输系数上谐振频率点以及信号幅度S21；
S12根据空载情况下互补螺旋谐振器的等效电感LC和等效电容CC建立柔性微波传感器空载情况下的频域谐振频率点模型，根据所述谐振频率点以及信号幅度S21建立空载情况下柔性衬底的介电损耗和共面波导传输线以及互补螺旋谐振器的导体损耗模型；
S13将被测非金属材料置于互补螺旋谐振器上，获取加载情况下互补螺旋谐振器的等效电容C'c，并测量得到柔性微波传感器加载情况下频域传输系数上谐振频率点以及信号幅度偏转后的谐振频率点以及信号幅度S'21；
S14根据加载情况下互补螺旋谐振器的等效电容C'c建立柔性微波传感器加载情况下的频域谐振频率点偏移模型，根据谐振频率点信号偏转后的谐振频率点以及信号幅度S'21建立加载情况下柔性衬底的介电损耗和共面波导传输线以及互补螺旋谐振器的导体损耗模型；
S15根据所述频域谐振频率点模型以及频域谐振频率点偏移模型构建被测非金属材料的介电常数模型，根据空载情况下以及加载情况下柔性衬底的介电损耗和共面波导传输线以及互补螺旋谐振器的导体损耗模型构建被测非金属材料的损耗正切角模型，完成被测非金属材料介电性能的检测。
进一步的，所述频域谐振频率点模型为：
所述空载情况下柔性衬底的介电损耗和共面波导传输线以及互补螺旋谐振器的导体损耗模型为：
步骤S4中，所述频域谐振频率点偏移模型为：
所示加载情况下柔性衬底的介电损耗和共面波导传输线以及互补螺旋谐振器的导体损耗模型为：
其中，ZO为共面波导传输线的特性阻抗。
进一步的，步骤S5中，所述被测非金属材料的介电常数模型为：
所述被测非金属材料的损耗正切角模型为：
其中，εr为所述柔性衬底的介电常数，εMUT为待测非金属材料的介电常数；tanδMUT为被测非金属材料的损耗正切角。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明利用柔性PET薄膜为柔性衬底，避免基于传统硬质基底材料所导致的局限性，能实现互补螺旋谐振器与被测非金属材料表面较好贴合，同时，将互补螺旋谐振器集成于共面波导传输线的空腔结构中，从而构建柔性微波传感器成规律排列且稳定的等效电容和等效电感，相应的可根据柔性微波传感器的集总等效电路模型进行分析，结合频域传输系数中谐振频率点以及信号幅度大小，获得被测非金属材料介电性能参数，包括介电常数和损耗正切角。本发明柔性微波传感器的检测流程简单，测量精度高。
2.本发明空腔结构设于所述共面波导信号传输线的中心区域，共面波导信号传输线和导电块为长宽比相同的方形结构，以此方式，从而构建柔性微波传感器成规律排列且稳定的等效电容和等效电感，以降低检测过程中的计算难度，提高检测的稳定性和精度。
3.本发明柔性衬底为PET薄膜，其厚度为50um～500um，避免基于传统硬质基底材料所导致的局限性，能实现互补螺旋谐振器与被测非金属材料表面较好贴合。
4.本发明间隙条与导电带的宽度比为1：1～10:1，进一步的，所述间隙条与导电带的宽度比为2:1，以此方式，可进一步提高传感器等效电容和等效电感的稳定性，以降低检测过程中的计算难度，提高检测的稳定性和精度。
5.本发明柔性微波传感器，采用传统的光刻和溅射工艺，制备简单，耗时短，成本低。
6.本发明柔性微波传感器，在测量时，直接将被测非金属材料置于互补螺旋谐振器上即可，无需对被测材料样品做任何处理加工，实现无损检测的目的。同时本发明在进行检测时，可根据柔性微波传感器的集总等效电路模型进行分析，结合频域传输系数中谐振频率点以及信号幅度大小，获得被测非金属材料介电性能参数，包括介电常数和损耗正切角，具有检测流程简单、测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种柔性微波传感器的结构示意图；
图2是图1中涉及的柔性微波传感器的俯视图；
图3是图2中A-A剖面示意图；
图4是图1中涉及的柔性微波传感器的制备流程示意图，其中，图4中的(a)为在所述柔性衬底的上表面旋涂正向光刻胶，图4中的(b)为利用掩膜版对上表面旋涂有正向光刻胶的柔性衬底进行曝光显影，以获取共面波导传输线和互补螺旋谐振器的图案，图4中的(c)为在所述共面波导传输线和互补螺旋谐振器的图案上依次溅射一层粘附材料和导电材料，图4中的(d)为在柔性衬底上粘附两个微型SMA接头。
图5是图1中涉及的柔性微波传感器的集总等效电路模型；
图6是图1中涉及的柔性微波传感器的互补螺旋谐振器的开槽区域的电场分布及相应电容和电阻产生示意图；
图7是图1中涉及的柔性微波传感器对两种具有不同介电性能的非金属材料检测所得的频率传输系数图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-柔性衬底，2-共面波导传输线，3-互补螺旋谐振器，21-第一共面波导信号传输线，22-第一地线，23-第二地线，24-开槽，25-第二共面波导信号传输线，31-间隙条，32-导电带，33-导电块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2和图3所示，本发明一种柔性微波传感器包括柔性衬底1、共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3，共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3均设于柔性衬底1的上表面。其中，共面波导传输线2包括地线模块，该地线模块包括对称布置在柔性衬底1的上表面左右两端的第一地线22和第二地线23。第一地线22和第二地线23尺寸大小完全相同。共面波导传输线2还包括共面波导信号传输线21，该共面波导信号传输线21设置在第一地线22和第二地线23之间，且其左右两端通过开槽24与第一地线22和第二地线23间隔开。共面波导信号传输线21的中心区域还刻蚀有互补螺旋谐振器(3)。该互补螺旋谐振器3包括导电带32以及导电块33，其中，导电带32为回字纹结构，其一端与共面波导信号传输线21连接，另一端与导电块33连接，导电块33为与共面波导信号传输线21同轴的方形结构。共面波导信号传输线21、导电带32和导电块33之间的间隙共同构成回字纹结构的间隙条31，该间隙条31构成互补螺旋谐振器3的等效电容，同时，导电带32和导电块33构成互补螺旋谐振器3的等效电感。
如图3所示，本发明一种柔性微波传感器中，柔性衬底1为PET薄膜，其厚度为50um～500um，在微波扫频信号为1GHz～3GHz时，其介电常数为3.22，损耗正切角为0.01。第一地线22、第二地线23以及共面波导信号传输线21均采用导电材料制备而成，在本发明的优选方案中，该导电材料为铜。第一地线22、第二地线23以及共面波导信号传输线21的厚度保持一致，均为1um～10um。间隙条31与导电带32的宽度比为1：1～10:1。在本发明的优选方案中，间隙条31与导电带32的宽度比为2:1。
如图4所示，本发明柔性微波传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将PET薄膜贴附在洁净的硅片上，对PET薄膜进行刻画处理，以获取柔性衬底1，在所述柔性衬底1的上表面旋涂正向光刻胶，并加热使所述正向光刻胶固化。
步骤2：利用掩膜版对上表面旋涂有正向光刻胶的柔性衬底1进行曝光显影，以获取共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3的图案；
步骤3：在所述共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3的图案上依次溅射一层粘附材料和导电材料，以获取黏附于所述柔性衬底1上的共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3。其中，所述粘附材料为铬，所述导电材料为铜。
步骤4：将制备得到的黏附有共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3的柔性衬底1进行清洗并从硅片上剥离开来，从而制备得到所述柔性微波传感器。
步骤5：采用银导电胶在黏附有共面波导传输线2和互补螺旋谐振器3的柔性衬底1上粘附两个微型SMA接头，以输入输出微波扫频信号，并利用紫外光固化胶将连接好的微型SMA接头封装，以保证测试过程中良好的导电性及稳定性。
如图5所示，为本发明一种柔性微波传感器的集总等效电路模型，其中，L和C分别为共面波导传输线2的等效电感和等效电容；Lc和Cc分别为互补螺旋谐振器3的等效电感和等效电容；Rc来自于柔性衬底1的介电损耗和导电材料的导体损耗。
当利用该柔性微波传感器对被测非金属材料做介电性能检测时，被测非金属材料置于互补螺旋谐振器3上，由于不同的被测非金属材料具有不同的介电性能(具体体现为介电常数和损耗正切角)，因此引起互补螺旋谐振器3的间隙条31区域电磁场分布发生变化，进一步体现为等效电容和等效电感的变化，从而引起频域传输系数上谐振频率点以及信号幅度的变化。通过对该集总等效电路模型理论分析计算，可得出被测非金属材料的介电常数和损耗正切角计算模型。
本发明柔性微波传感器的检测方法具体包括以下步骤：
步骤1：建立柔性微波传感器的集总等效电路模型，以获取空载情况下互补螺旋谐振器3的等效电感LC和等效电容CC，并测量得到柔性微波传感器空载情况下频域传输系数上谐振频率点以及信号幅度S21；
步骤2：根据空载情况下互补螺旋谐振器3的等效电感LC和等效电容CC建立柔性微波传感器空载情况下的频域谐振频率点模型：
步骤3：根据谐振频率点信号幅度S21建立空载情况下柔性衬底1的介电损耗和共面波导传输线2以及互补螺旋谐振器3的导体损耗模型：
其中，ZO为共面波导传输线2的特性阻抗。
步骤4：将被测非金属材料置于互补螺旋谐振器3上，由于不同的被测非金属材料具有不同的介电性能(具体体现为介电常数和损耗正切角)，因此引起互补螺旋谐振器3的间隙条31区域电磁场分布发生变化，此时，测量获得加载被测非金属材料情况下互补螺旋谐振器3的等效电容C'c，并测量得到柔性微波传感器加载被测非金属材料情况下频域传输系数上偏转的谐振频率点以及信号幅度S'21。
步骤5：根据加载情况下互补螺旋谐振器3的等效电容C'c建立柔性微波传感器加载情况下的频域谐振频率点偏移模型：
步骤6：根据谐振频率点信号偏转后的谐振频率点以及信号幅度S'21建立加载情况下柔性衬底1的介电损耗和共面波导传输线2以及互补螺旋谐振器3的导体损耗模型：
步骤7：根据所述频域谐振频率点模型以及频域谐振频率点偏移模型构建被测非金属材料的介电常数模型：
其中，εr为所述柔性衬底1的介电常数，εMUT为待测非金属材料的介电常数。
根据空载情况下以及加载情况下柔性衬底1的介电损耗和共面波导传输线2以及互补螺旋谐振器3的导体损耗模型构建被测非金属材料的损耗正切角模型：
其中，tanδMUT为被测非金属材料的损耗正切角。
从而完成被测非金属材料介电性能的检测。
如图6所示，为本发明柔性微波传感器的互补螺旋谐振器的开槽区域的电场分布及相应电容和电阻产生示意图，其中，开槽区域下部分电磁场由于穿过被测非金属材料，因此引入电容Cc_MUT和电阻Rc_MUT，且这两者与加载被测非金属材料后的互补螺旋谐振器的等效电容和电感的关系为：
其中εr为所述柔性衬底1的介电常数，εMUT为待测非金属材料的介电常数，Cc和Rc分别为空载时所示互补螺旋谐振器的等效电容和等效电感，R'c为加载被测非金属材料后所示互补螺旋谐振器的等效电阻。
如图7所示，为本发明一种柔性微波传感器对两种具有不同介电性能的非金属材料检测所得的频率传输系数图。当所述柔性微波传感器空载时，其频域传输系数响应如图7中实线所示。当分别加载两种具有不同介电性能的非金属材料时，频域传输系数发生变化。具体表现为，谐振频率变小，即向左移动，信号幅度较空载时降低。进一步的，由于非金属材料1的介电常数小于非金属材料2的介电常数，因此从图7可以看到，非金属材料2的谐振频率偏移更大；同时，由于非金属材料1的损耗正切角小于非金属材料2的损耗正切角，因此非金属材料2的信号幅度衰减要大于非金属材料1的信号幅度衰减(更具耗散性)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述的柔性微波传感器包括柔性衬底(1)、以及设于所述柔性衬底(1)上表面的共面波导传输线(2)和互补螺旋谐振器(3)，其中，所述共面波导传输线(2)包括第一地线(22)、第二地线(23)以及共面波导信号传输线(21)，所述第一地线(22)和第二地线(23)关于所述共面波导信号传输线(21)对称布置，所述共面波导信号传输线(21)与所述第一地线(22)和第二地线(23)之间设有开槽(24)，所述共面波导信号传输线(21)的中部区域刻蚀有所述互补螺旋谐振器(3)；所述互补螺旋谐振器(3)包括导电带(32)、导电块(33)以及间隙条(31)，所述导电带(32)为回字纹结构，其一端与共面波导信号传输线(21)连接，另一端与所述导电块(33)连接，所述共面波导信号传输线(21)、导电带(32)和导电块(33)之间的间隙共同构成回字纹结构的间隙条(31)，该间隙条(31)用于构成所述互补螺旋谐振器(3)的等效电容，同时，所述导电带(32)和导电块(33)共同构成所述互补螺旋谐振器(3)的等效电感；所述检测方法包括以下步骤：
S1建立柔性微波传感器的集总等效电路模型，以获取空载情况下互补螺旋谐振器(3)的等效电感LC和等效电容CC，并测量得到柔性微波传感器空载情况下频域传输系数上谐振频率点以及信号幅度S21；
S2根据空载情况下互补螺旋谐振器(3)的等效电感LC和等效电容CC建立柔性微波传感器空载情况下的频域谐振频率点模型，根据所述谐振频率点以及信号幅度S21建立空载情况下柔性衬底(1)的介电损耗和共面波导传输线(2)以及互补螺旋谐振器(3)的导体损耗模型；所述频域谐振频率点模型为：
所述空载情况下柔性衬底(1)的介电损耗和共面波导传输线(2)以及互补螺旋谐振器(3)的导体损耗模型为：
S3将被测非金属材料置于互补螺旋谐振器(3)上，获取加载情况下互补螺旋谐振器(3)的等效电容Cc'，并测量得到柔性微波传感器加载情况下偏转后的谐振频率点以及信号幅度S'21；
S4根据加载情况下互补螺旋谐振器(3)的等效电容Cc'建立柔性微波传感器加载情况下的频域谐振频率点偏移模型，根据偏转后的谐振频率点以及信号幅度S'21建立加载情况下柔性衬底(1)的介电损耗和共面波导传输线(2)以及互补螺旋谐振器(3)的导体损耗模型；所述频域谐振频率点偏移模型为：
所示加载情况下柔性衬底(1)的介电损耗和共面波导传输线(2)以及互补螺旋谐振器(3)的导体损耗模型为：
其中，ZO为共面波导传输线(2)的特性阻抗；
S5根据所述频域谐振频率点模型以及频域谐振频率点偏移模型构建被测非金属材料的介电常数模型，根据空载情况下以及加载情况下柔性衬底(1)的介电损耗和共面波导传输线(2)以及互补螺旋谐振器(3)的导体损耗模型构建被测非金属材料的损耗正切角模型，完成被测非金属材料介电性能的检测，所述被测非金属材料的介电常数模型为：
所述被测非金属材料的损耗正切角模型为：
其中，εr为所述柔性衬底(1)的介电常数，εMUT为待测非金属材料的介电常数；tanδMUT为被测非金属材料的损耗正切角。
2.根据权利要求1所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述柔性衬底(1)为PET薄膜，其厚度为50um～500um。
3.根据权利要求1所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述第一地线(22)、第二地线(23)、共面波导信号传输线(21)、导电带(32)和导电块(33)的厚度相同，均为1um～10um。
4.根据权利要求1所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述第一地线(22)、第二地线(23)、共面波导信号传输线(21)、导电带(32)和导电块(33)均采用导电材料制备而成。
5.根据权利要求4所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述导电材料为铜。
6.根据权利要求1所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述间隙条(31)与导电带(32)的宽度比为1：1～10:1。
7.根据权利要求1所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述间隙条(31)与导电带(32)的宽度比为2:1。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，所述柔性微波传感器的制备步骤如下：
S1’将PET薄膜贴附在洁净的硅片上，对PET薄膜进行刻画处理，以获取柔性衬底(1)，在所述柔性衬底(1)的上表面旋涂正向光刻胶，并加热使所述正向光刻胶固化；
S2’利用掩膜版对上表面旋涂有正向光刻胶的柔性衬底(1)进行曝光显影，以获取共面波导传输线(2)和互补螺旋谐振器(3)的图案；
S3’在所述共面波导传输线(2)和互补螺旋谐振器(3)的图案上依次溅射一层粘附材料和导电材料，以获取黏附于所述柔性衬底(1)上的共面波导传输线(2)和互补螺旋谐振器(3)；
S4’将S3制备得到的黏附有共面波导传输线(2)和互补螺旋谐振器(3)的柔性衬底(1)进行清洗并从硅片上剥离开来，从而制备得到所述柔性微波传感器。
9.根据权利要求8所述的柔性微波传感器的检测方法，其特征在于，步骤S3’中，所述粘附材料为铬，所述导电材料为铜。
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