CN110806416B - 同时测量湿度、温度和材料复介电常数的多功能传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开同时测量湿度、温度和材料复介电常数的多功能传感器。本发明由金属补丁、微带线、介质板Kapton100HN、金属薄片、金属通孔构成EMSIW；微带线与CSRR槽环耦合。槽环开口相对的直角对齐向环内弯折，该区域电场强度最强，用来测量材料的复介电常数；向内弯折的两直角间由多个“凵”结构以及用于连接相邻两“凵”结构的连接板构成；槽环的开口分别向环内外延伸；槽环CSRR非折线区焊接热敏电阻。因此该传感器具备同时测量环境的温度、湿度和材料复介电常数的功能，不仅具有高灵敏度和高精度的优良性能，而且其结构简单、结构小型化、测量范围广、实用性很强。

Description

同时测量湿度、温度和材料复介电常数的多功能传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种微带线激励的传感器，特别涉及一种基于八分之一模的衬底集成波导(Eight Mode Substrate integrated waveguide-EMSIW)的用于测量湿度、温度和材料复介电常数的小型化微波传感器。
背景技术
近年来，随着时代的进步和人们的生活水平的不断进步，温度、湿度等环境传感器在工业和人们的生活中发挥着越来越重要的作用；另外磁介质材料在食品工业、农业医药、卫生保健、国防等领域也发挥着越来越重要的作用，而其中介电常数是描述磁介质材料的电性能一个的重要参数。因此如何对温度、湿度和介电常数实现准确、快速的测量，已经成为目前学术界和工业界共同关注的热点。
在传统的湿度传感器中，电阻式传感器因价格低廉，在中等湿度范围内表现出良好的性能，而得到了大家越来越多的青睐，然而电阻式仪表在较低湿度时响应较弱，反应不明显，因此而制约了它的发展。
在传统的温度传感器中，SAW温度传感器，其工作频率往往容易受到信号对噪声性能差的影响，所需的电路通常也比较复杂，成本较高。尽管光学传感器具有抗电磁干扰的能力，但由于支撑所需要的昂贵且大规模的光电设备，光学传感器在许多应用中同样也受到了限制。
在磁介质材料的电性能表征方面，基于谐振的方法由于其精度高、灵敏度高、成本低等优点，常受到人们的青睐，在这种方法中，由于被测样品加载到谐振器上，引起谐振器的谐振频率的变化，从而为磁介质材料的介电常数的测量提供了可靠的依据。然而那些传感器往往功能单一，无法满足电路的小型化、集成化的要求。
因此，为了解决上述两个问题，本次申请同时测量湿度、温度和材料复介电常数多功能传感器，除了能用于测量环境的温度和湿度以外，我们还可以用于测量磁介质材料的介电常数，而其中温度、湿度、材料的复介电常数测量的多功能的集成，不但提高了小型化传感器的实用性，而且更能体现我们的一大创新。
发明内容
本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高Q值、测量范围广以及具备同时测量温度、湿度、介电常数功能的微波传感器。该传感器是在八分之一模式的衬底集成波导(EMSIW)的结构的基础上，采用微带线激励进行设计的。
本发明按以下技术方案实现：
一种微波传感器，该微波传感器为单端口器件，分为三层结构；
顶层包括金属补丁、微带线和一个SMA连接头；
中间层采用湿度敏感介质板Kapton100HN；Kapton 100HN学名是聚酰亚胺，其介电常数是随湿度线性变化的一种介质板，其厚度是25μm；
底层包括金属薄片、刻槽CSRR结构、热敏电阻(R-T-CMFA103J3950HANT)；
由金属补丁、微带线、介质板Kapton100HN、金属薄片、金属通孔构成EMSIW；
在金属补丁的电壁上连接微带线，金属补丁在微带线两侧开有轴对称的L型缝隙(左侧L型缝隙为顺时针旋转180°后的L结构，右侧L型缝隙与左侧L型缝隙关于微带线轴对称)；金属补丁上设有若干等距排布用于耦合金属薄片的金属通孔，使得微带线与CSRR槽环耦合。
所述微带线结构包括一个输入端口，所述的端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；所述的微带线的宽度为3.2mm；
所述的金属薄片刻蚀有一个槽环CSRR结构；所述第一个刻槽金属CSRR结构与金属补丁耦合，刻槽金属CSRR由带有开口的槽环构成，其中槽环的长为7.405mm，宽为6.3mm，其中刻槽的槽宽g为0.3mm。另外所述槽环开口相对的直角对齐向环内弯折，这种结构可以实现最大的边缘电场效应，使得该区域电场强度最强，用来测量磁介质材料的介电常数。向内弯折的两直角间由多个“凵”结构以及用于连接相邻两“凵”结构的连接板构成。其中“凵”结构的长为2mm,宽为0.9mm。另外槽环开口分别向环内外延伸，以此增强敏感介质板Kapton100HN与外界空气接触，从而缩短测量湿度时所需要的反应时间。槽环开口与SMA连接头同向,且开口所在槽环边的中间位置。
槽环CSRR非折线区焊接有一个热敏电阻，(R-T-CMFA103J3950HANT)型号的热敏电阻是一种负温度系数(Negative Temperature Coefficient)的热敏电阻，当周围环境的温度从30℃以15℃为一个间隔变化到90℃时，热敏电阻的阻值从8kΩ变化到1kΩ，这时谐振器的S参数的质量因子逐渐变小，而此时谐振频率并没有发生变化，因此可以通过S参数的质量因子的变化来对环境的温度进行测量。
所述传感器的灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；质量因子决定了测量的精度；超大的测量范围和结构的小型化决定了传感器的实用性。
本发明与现有的微波传感器相比，克服了现有传感器只能单一测量温度、湿度或者介电常数的缺点，能够在同一传感器实现对温度、湿度和介电常数的同时测量，并且由于其具有较高的灵敏度和Q值，从而保证了测量的准确度。因此很适合用于温度、湿度和材料的复介电常数的测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图以及参数标注图：其中(a)传感器顶层示意图，(b)传感器底层示意图；
图2是本发明的电场场强度分布示意图；
图3是本发明的透射系数与周围环境湿度仿真示意图；
图4是本发明的透射系数与周围环境湿度仿真频偏示意图；
图5是本发明的透射系数与待测样品的介电常数的关系示意图；
图6是本发明的温度仿真示意图；
其中，1.Kapton100HN介质板；2.金属补丁；3.通孔；4.微带线；5.SMA连接头；6.金属薄片；7.电场强度最大区域；8.热敏电阻(R-T-CMFA103J3950HANT)；9.CSRR槽环。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示是本发明的结构示意图，本发明的传感器包括底层金属薄片6被刻蚀的CSRR槽环9，中间层为Kapton100HN介质板1，Kapton100HN介质板1是一个其介电常数随着周围环境的湿度呈现一个线性变化的湿度敏感材料，所以可以通过改变周围环境的湿度从而改变该介质板的介电常数，从而导致频率偏移，拟合出湿度与频率偏移之间的关系式，从而达到测量周围环境的湿度的目的，顶层微带线4延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头5，微带线4耦合底层的CSRR槽环9，槽环具有一个敏感区域，槽环内折直角相接的槽沟之间的区域为电场强度最大区域7，该区域放置待测样品可以测量样品的介电常数。除此之外，我们对CSRR槽环9进行焊接上一个热敏电阻(R-T-CMFA103J3950HANT)8，放入一个温度可控的密闭空间中，从而测量周围环境的温度。
本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件Ansys HFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：
Figure GDA0003554231310000041
其中中间层介质板的大小选取23.5×17.42×0.025mm3的湿度敏感材料Kapton100HN(介电常数εr(RH)＝3.05+0.08×RH(周围环境的湿度))
如图2所示是本发明的电场的场强度分布示意图，底层CSRR槽环中槽环内折直角相接的槽沟之间的区域为电场强度最大，因此该区域对磁电样品的介电常数变化很敏感，在该区域放置待测样品可以测量样品的介电常数；
如图3所示是本发明的透射系数与周围环境湿度关系示意图，如图4所示是本发明的频率偏移和周围环境湿度关系的示意图，当周围的湿度以10％为一个刻度，从0％变化到100％时，介质板Kapton 100HN的介电常数从3.05线性变化到3.85，此时传感器的谐振频率发生的频偏是986MHz，湿度灵敏度为9.86MHz/％，而且曲线中Q值最少是2267，所以超大的湿度灵敏度保证了传感器的准确度，并且极高的Q值保证了传感器的测量精度高。
如图5所示是本发明的透射系数与待测样品的介电常数的关系示意图，在电场强度最大的区域放置一块尺寸2.0×3.3×1mm3的待测样品，当待测样品的介电常数从1变化到10时(间隔为1)，传感器的谐振频率从13.674GHz降到13.288GHz，通过谐振频率的变化量可推算出样品的介电常数。由于传感器的谐振频率变化范围比较大，因此灵敏度很高。
如图6所示是本发明的透射系数与热敏电阻(R-T-CMFA103J3950HANT)之间的关系示意图，在CSRR槽环上焊接了一个热敏电阻(R-T-CMFA103J3950HANT)，用于感知周围环境的温度的变化，周围环境的温度的不同，热敏电阻的阻值也是不一样的，从而透射系数的Q值也在发生相应的变化，因此我们可以拟合出一个环境温度与透射系数的Q值变化的一个关系式。
表一：各个湿度传感器的对比：
结构 尺寸大小(mm) 湿度敏感范围 灵敏度
衬底集成谐振器 35×35 0-80％ 101kHz/RH
横向带阻滤波器 76.4×40 6.5-93％ 173kHz/RH
PVA薄膜 10×7.3 15-69.4％ 89.34kHz/RH
射频干涉传感器 8.1×9.3 20-70％ 142kHz/RH
基于Kapton的CPW谐振器 33×30 60-100％ 3.88MHz/RH
本发明传感器(Kapton) 23.5×17.42 0-100％ 9.86MHz/RH
表二：各个温度传感器的对比：
结构 谐振频率(GHz) 工作原理 温度范围 灵敏度
LC温度传感器 0.105 频率偏移 26-1400℃ 14.3kHz/度
双微带微流控传感器 2.55 频率偏移 21-39℃ 0.167MHz/度
双模微流控传感器 2.49 频率偏移 23-35℃ 0.183MHz/度
本发明传感器(热敏电阻) 13.375 Q值变化 30-95℃ 81/度
表三：各个测量介电常数的传感器的对比：
Figure GDA0003554231310000051
从上面三个表来看，我们分别从湿度、温度和介电常数三个功能的测量进行了对比，不难发现，对于湿度的测量，该传感器不仅有着更广的湿度敏感范围，而且还有着极高的灵敏度，因此可以极大地提升测量的准确度；对于温度的测量，该传感器第一次将(Negative Temperature Coefficient)NTC型的热敏电阻焊接到CSRR非折线的槽环上，将外界的温度的变化和透射系数的质量因子的变化连接到一块，从而去实现对外界温度的测量；另外对于介电常数的测量而言，样品介电常数的实部和虚部都能被测量，其极高的空载Q值和较大的频率偏移同样能保证测量时较大的准确度。最重要的是，该传感器在对温度、湿度、样品介电常数测量三个功能集成时，其结构被设计为EMSIW，其传感器的尺寸缩小为原来的12.5％，尺寸的减小，从而保证了结构的小型化。因此传感器多功能的集成以及结构的小型化，从而提高该传感器的实用性，另外再加上利用热敏电阻测量外界温度方法的首次提出，这些便足以体现我们的一大重要创新。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.同时测量湿度、温度和材料复介电常数的多功能传感器，分为三层结构，其特性在于：
顶层包括金属补丁、微带线和一个SMA连接头；
中间层采用湿度敏感介质板Kapton100HN；
底层包括金属薄片、槽环CSRR结构、热敏电阻；
金属补丁上设有若干等距排布用于耦合金属薄片的金属通孔，使得微带线与槽环CSRR结构耦合；
由金属补丁、微带线、介质板Kapton100HN、金属薄片、金属通孔构成EMSIW；
在金属补丁的电壁上连接微带线，金属补丁在微带线两侧开有轴对称的L型缝隙；左侧L型缝隙为顺时针旋转180°后的L结构，右侧L型缝隙与左侧L型缝隙关于微带线轴对称；
所述微带线结构包括一个输入端口；
所述的金属薄片刻蚀有一个槽环CSRR结构；所述槽环CSRR结构与金属补丁耦合，槽环CSRR结构由带有开口的槽环构成，与槽环开口相对的槽环的两直角对齐向环内弯折，与槽环内折直角相接的槽沟之间的区域为电场强度最大区域，用来测量磁介质材料的复介电常数；向内弯折的两直角间由多个“凵”结构以及用于连接相邻两“凵”结构的连接板构成；槽环的开口分别向环内外延伸；槽环开口与SMA连接头同向,且开口在槽环边的中间位置；
所述槽环CSRR结构的非折线区焊接热敏电阻。
2.如权利要求1所述的传感器，其特性在于：所述的输入端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其特性在于介质板厚度是25μm。
4.如权利要求1或2所述的传感器，其特性在于所述的微带线的宽度为3.2mm。
5.如权利要求1或2所述的传感器，其特性在于槽环CSRR结构的长为7.405mm，宽为6.3mm，其中刻槽的槽宽g为0.3mm。
6.如权利要求1或2所述的传感器，其特性在于向内弯折的两直角间“凵”结构的长为2mm,宽为0.9mm。
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