CN110806417B - 基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器 - Google Patents

基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器 Download PDF

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
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Abstract

本发明公开基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器。该传感器为用于测量环境的湿度的反射型无源传感器，包括底层的金属薄片，中间层的湿度敏感介质板Kapton500HN，顶层是一段微带线；整个微带线结构一端伸出馈电长脚用于连接SMA连接头。EMSIW腔的物理尺寸减小了87.5％，并且能够保持相同的主共振频率。该传感器具备测量环境湿度的功能，不仅具有高灵敏度和高精度的优良性能，而且其结构简单、小型化、测量范围广、实用性很强。

Description

基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器
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)的用于测量湿度的小型化微波传感器。
背景技术
随着社会经济的日益进步和人们的生活水平的不断提高，湿度传感器在工业、农业、医疗、食品包装以及人们的家庭生活中已经得到了广泛的应用。一个合格的湿度传感器不仅需要满足线性响应、灵敏度快还需要满足湿度范围广、成本低、滞后小等要求。因此如何快速、准确地获取环境中的湿度参数已经成为目前学术界和工业界共同关注的焦点。
在传统的湿度传感器中，利用电阻式、表面声波(SAW)、光纤、电容式等不同的传感机制构建的湿度传感器已经付出了巨大的努力。电阻式传感器价格低廉，在中等湿度范围内表现出良好的性能，但电阻式仪表在较低湿度时响应较弱。此外，它们还存在尺寸大、成品率低、电流漂移和与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路难以集成等问题，这些问题都限制了电阻式湿度传感器的发展。
另外，ZnO/SnO2混合氧化物的湿度敏感材料虽然在5％-85％的湿度变化范围里具有良好的湿度敏感性能，但是其温度的稳定性差、气体选择性差等缺点造成的传感器能耗较高，从而逐渐被其他传感器所替代。
因此，为了解决上述的问题,本次申请基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器，在扩大对湿度的测量范围的同时，不但提高了其测量的灵敏度，而且其尺寸与传统方形衬底集成波导(SIW)相比，EMSIW的物理尺寸减小了高达87.5％，同时还能够保持相同的主共振频率，这正是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、结构小型化的湿度传感器。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Kapton500HN；Kapton 500HN学名是聚酰亚胺，其介电常数是随湿度线性变化，厚度是125μm。
底层包括金属薄片；
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；由金属补丁、微带线、介质板Kapton500HN、金属薄片、金属通孔构成八分之一模式的衬底集成波导(EMSIW)；
在金属补丁的电壁上连接有微带线，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)；
所述微带线包括一个输入端口，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；
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，克服了现有传感器测量范围小、灵敏度不高、传感器尺寸普遍较大的缺点，能够对湿度实现更大范围的测量，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。因此很适合用于湿度传感的测量。
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S参数示意图；
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率偏移示意图；
其中，1.Kapton500HN介质板；2.金属补丁；3.微带线；4.SMA连接头；5.金属薄片；6.通孔。
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顶层金属补丁2、微带线3、SMA连接头4；底层金属薄片5；中间层为Kapton500HN介质板1，Kapton500HN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3延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头4。金属补丁2上设有若干等距排布用于耦合金属薄片的金属通孔6；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：
参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
W 17.42 L 23.5 S 3.2 D 0.7
V 1.4 p 1.8 q 0.3 m 10.32
其中中间层介质板的大小选取23.5×17.42×0.125mm3的湿度敏感材料Kapton500HN。
上述Kapton介质板为方形尺寸，该介质板是一种对湿度敏感的材料，其介电常数能随周围环境的湿度的变化而产生线性变化，在室温23℃、湿度为0％时，湿度敏感介质板Kapton 500HN此时的介电常数为3.05，而当室温23℃、湿度为100％时，湿度敏感介质板Kapton 500HN此时的介电常数为3.85，其介电常数和环境湿度的关系式可以表示为：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S参数示意图，传感器的谐振频率为13.276GHz，Q值为4425，极高的Q值保证了传感器的测量精度高。
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 500HN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1286MHz，湿度灵敏度为12.86MHz/％，而且曲线中Q值最少是1327，所以极高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。
表一：各个湿度传感器的对比：
Figure BDA0002253750770000031
Figure BDA0002253750770000041
从上面的表格的对比来看，我们将近几年来最具有代表性的湿度传感器进行了对比，不难发现，在对空气中的湿度进行测量时，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实验时的准确度；最重要的是，该传感器在对湿度进行测量时，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，并且能够保持相同的主共振频率。因此传感器极高的灵敏度以及结构的小型化，明显地提高了该传感器的实用性，这便足能体现我们的一大创新。
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 (3)

1.基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器，该湿度传感器为单端口器件，分为三层结构，其特征在于：
顶层包括金属补丁、微带线和SMA连接头；
中间层采用湿度敏感介质板Kapton500HN；
底层包括金属薄片；
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；由金属补丁、微带线、介质板Kapton500HN、金属薄片、金属通孔构成八分之一模式的衬底集成波导EMSIW；
在金属补丁的电壁上连接有微带线，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，所述的输入端口用于连接SMA连接头。
2.如权利要求1所述的基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器，其特征在于湿度敏感介质板厚度是
Figure 244641DEST_PATH_IMAGE001
。
3.如权利要求2所述的基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器，其特性在于：在室温23℃、湿度为0%时，湿度敏感介质板Kapton 500HN此时的介电常数为3.05，而当室温23℃、湿度为100%时，湿度敏感介质板Kapton 500HN此时的介电常数为3.85，其介电常数和环境湿度的关系式表示为：介电常数
Figure 348732DEST_PATH_IMAGE002
，RH表示周围环境的湿度。
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