CN110998304A - 用于测量流体中电介质的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量诸如水的流体中的电介质的方法和设备。根据本发明的传感器包括：具有第一侧和第二侧的第一印刷电路板(PCB)；所述第一PCB的一侧上的第一导体和第二导体；第一导体和第二导体之间的至少一个电流连接部；第一PCB的一侧上的第一聚合物亲和层和第二聚合物亲和层；配备有孔并配备有导体板的第二PCB和第三PCB；第一导体板和第二导体板之间的至少一个电流连接部；至少第一函数发生器；以及第一频谱分析仪或整流器，其中在使用中，传感器被放置在流体中，并且流体通过孔接触聚合物亲和层，并且其中流体中的杂质被选择性地吸收并分散在聚合物层中，从而改变聚合物亲和层的介电特性。

Description

用于测量流体中电介质的方法和设备

本发明涉及用于测量诸如水的流体中的电介质的方法和设备。

现今，测量水中污染物的主要方法是抓取取样，即把样本送到实验室并等待结果。由于寄生效应、范围限制(频率和浓度)和/或对缺陷的灵敏度，传统测量设备的使用受到限制。

本发明的目的是提供一种消除或至少减少上述问题的传感器。

该目的通过根据本发明的传感器来实现，该传感器包括：

-第一印刷电路板(PCB)，其具有第一侧和第二侧；

-第一导体，其在所述第一PCB的第一侧上；

-第二导体，其在所述第一PCB的第二侧上；

-至少一个电流连接部，其在所述第一导体和所述第二导体之间；

-第一聚合物亲和层，其在所述第一PCB的第一侧上；

-第二聚合物亲和层，其在所述第一PCB的第二侧上；

-第二PCB，其中所述第二PCB配备有孔并配备有第一导体板，其中所述第二PCB放置在所述第一聚合物亲和层之上；

-第三PCB，其中所述第三PCB配备有孔并配备有第二导体板，其中所述第二PCB放置在所述第二聚合物亲和层之上；

-至少一个电流连接部，其在所述第一导体板和所述第二导体板之间；

-至少第一函数发生器，其可操作地连接到所述第一导体和第二导体，并连接到所述第一导体板和第二导体板；以及

-至少第一频谱分析仪或整流器，其可操作地连接到所述第一导体和第二导体，并连接到所述第一导体板和第二导体板，用于通过测量系统测量从所述函数发生器传输的电信号的幅度；

其中，在使用中，所述传感器被放置在流体中，并且流体通过孔接触聚合物亲和层，并且其中流体中的杂质被选择性地吸收并分散在聚合物层中，从而改变聚合物亲和层的介电特性。

根据本发明的传感器包括第一PCB，该第一PCB被或多或少地夹在第一聚合物亲和层和第二聚合物亲和层之间以及第二PCB和第三PCB之间。在使用中，传感器被放置在被调查的流体中，并且传感器中的聚合物亲和层吸收流体中存在的化合物和/或离子。由于传感器在电学上表现为短线谐振器(stub resonator)，吸收的化合物和/或离子可以优选地通过阻抗频谱法(impedance spectroscopy)来表征或识别。

根据本发明的传感器的一个优点是使得传感器能够被在线(in-line)放置和远程读出，从而实时给出分析结果。

此外，本发明的有利方面涉及设备的几何形状。所提出的几何形状确保了基本上所有电场线都穿过亲和层。防止杂散场线(即，延伸出亲和层的线)到达周围的介电和导电材料使得传感器对亲和层外部变化的介电条件不灵敏。暗示着，传感器的灵敏度仅取决于已经被亲和层吸收的目标分析物所实现的介电特性的变化。微调亲和层的化学成分允许设计对不同分析物具有不同亲和力的传感器。这为设计对不同分析物具有选择性的传感器产品范围提供了可能性。第一聚合物亲和层和第二聚合物亲和层可以由相同的材料或不同的材料制成，其中所选择的材料优选取决于待检测的分析物。

根据本发明的传感器还具有易于制造的有益效果。例如，可以使用标准PCB制造技术生产第一PCB、第二PCB和第三PCB。PCB可以很容易地通过连接器如塑料螺丝固定和连接。替代地或附加地，间隔物，例如塑料珠或玻璃珠，可以放置在PCB之间，使得它们之间具有均匀的距离。随后，可将PCB放入模具中，并可将聚合物亲和层倒入模具中。交叉连接并电连接传感器后，即可使用。这种生产方法明确地成为根据本发明的技术的一部分。

在本发明的当前优选实施例中，第一PCB的第一导体和第二导体包括PCB表面上的曲折图案，从而增加所述导体的有效长度。

从实用的角度来看，可能希望生产具有相对低谐振频率的传感器。由于谐振频率随着第一PCB上导体长度的增加而降低，传感器的低谐振频率可能需要不可接受的很长的PCB。注意，这个问题可以通过在第一PCB的两侧应用曲折导体来克服。

在本发明的当前优选实施例中，传感器还包括保护电极。

优选地，保护电极的宽度是亲和层厚度的至少3倍。

在本发明的实施例中，保护电极包括电流连接的电极，其中保护电极优选被接地。

在本发明的实施例中，保护电极保持在固定电位，并且不被电流连接到电极。

在本发明的实施例中，保护电极和导体以预定距离间隔开。

在本发明的当前优选实施例中，传感器被配置用于以下一项或更多项：检测水中的油痕量(trace)，检测水中的金属离子，检测水中的药物痕量，检测水中的农药，检测水中的毒品痕量(例如，麻醉剂、XTC和可卡因)，检测水中的清洁剂(包括非离子清洁剂(例如季戊四醇棕榈酸酯(pentaerythrityl palmitate))和离子清洁剂(例如十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate)))，以及用于检测水中的营养物质，如磷酸盐、硝酸盐和硫酸盐。

本发明还涉及用于测量水中化合物和/或离子的介电特性的方法，该方法包括提供本发明实施例中的传感器的步骤。

该方法提供了与针对所述传感器所描述的相同的效果和优点。

本发明的另外的优点、特征或细节根据其优选实施例来阐明，其中参考了附图，在附图中：

-图1示出了根据本发明的传感器的实施例；

-图2示出了PCB设计的实施例；

-图3给出了本发明实施例中同轴传输线的示意概要图；

-图4示出了与图1中描述的传感器类似的传感器的横截面；以及

-图5示出了一些分子结构。

本发明涉及第一(优选矩形)PCB，在垂直于图1中传感器的长度轴线的横截面中用编号4、5和6指示。第一PCB配备有两个(优选相同的)导体4和6，导体4和6存在于所述第一PCB的两侧。导体4和6的几何形状优选地相同，并且它们在第一PCB上的位置优选地使得两个导体中的一个恰好在另一个之上(exactly on top of each other)，而第一PCB基板位于其间。优选地，第一PCB两侧上的两个导体4和6通过一个连接点或者更优选地通过沿着第一PCB的长度坐标的一系列通孔(via)被电流地连接。在本专利申请中，通孔被定义为PCB中的镀金属的孔，其将PCB一侧上的导体与PCB另一侧上的导体电流连接。第一PCB的这种设计产生了一种电极，该电极可以应用于两个并联电容器的设计中，在高频下其行为类似于短线谐振器，而第一PCB的基板电介质5不影响所述两个并联电容器的介电特性。这稍后将在本专利申请的文本中进一步解释。

在图2中，用编号12指示的PCB设计示出了第一PCB的优选实施例。在编号12的PCB的左侧，可以看到SMA连接器的连接点。值得注意的是，显然，这些触点也可以用于进行导线连接，也可以进行其他类型的电连接。编号为12的PCB的中央的直线(图2)示出了位于第一PCB的顶侧上的图1中的导体4。在第一PCB的底侧还有导体6。两个导体4和6都位于第一PCB的中央，一个恰好在另一个上方，第一PCB的基板5位于其间。两个导体4和6都在图2的编号12的PCB的左侧的SMA连接点处电流连接。应当注意，更优选地，第一PCB两侧上的两个导体4和6都通过沿第一PCB的长度坐标的通孔互连。这些通孔未在图2中描绘。

根据本发明的另一实施例，第二PCB配备有孔和放置在第一亲和层3之上的第一导体板2，以及第三PCB配备有孔和放置在第二亲和层7下面的第二导体板8。在图1中，编号1、9和2、8分别指示两个优选相同的、第二PCB和第三PCB的基板(编号1和9)和导体板(编号2和8)。在图2中，用编号10和编号13指示的矩形PCB示出了第二PCB和第三PCB的实例。注意，图2中编号为10和13的穿孔PCB上没有示出第二PCB和第三PCB的导体板。此外，应当注意，第二PCB和第三PCB的导体板2和8在与第二PCB和第三PCB的基板中的孔完全相同的位置处具有孔。最后，应当注意，第二PCB和第三PCB的导体板2和8通过连接器和/或导线和/或任何其他导体电流连接。结果是第一PCB和第二PCB形成第一电容器，并且第一PCB和第三PCB形成第二电容器。注意，从电学角度来看，第一电容器和第二电容器并联放置。

在描述了本发明的不同方面之后，现在将进一步解释根据本发明的技术。注意，在本专利申请中，术语PCB代表印刷电路板，其包括支撑层(优选FR4材料)和该支撑层上的任何导体。

在本发明的当前优选实施例中，图1中的传感器包括并联的两个电容器的电气等效物：由第一PCB和第二PCB形成的第一电容器，其中聚合物亲和层3作为其间的电介质，以及由第一PCB和第三PCB形成的第二电容器，其中聚合物亲和层7作为其间的电介质。

在使用中，根据图1的传感器被放置在含有杂质的水中，这些杂质被聚合物亲和层3和7选择性地吸收。将图1中的传感器放置在水中将导致水与聚合物亲和层3和7之间的接触，这主要通过第二PCB和第三PCB中的孔。因此，聚合物亲和层将选择性地吸收水中的杂质。作为扩散的结果，杂质将分布在聚合物亲和层3和7上，从而改变这些层的介电特性。由于图1中传感器的非常特别的设计，传感器的电容将仅因为聚合物亲和层3的介电特性的改变而改变，而不会直接因为放置传感器的水的介电特性的改变而改变。此外，第一PCB、第二PCB和第三PCB的基板的介电特性不会显著影响传感器的电容，从而使得与传感器电容也是PCB基板的介电特性的函数的设计相比，其更加灵敏。传感器的这一特性是由其几何形状引起的，该几何形状使得所有电场线都穿过聚合物亲和层3。因此，根据本发明的传感器作为在线传感器是非常可行的，即，它可以被放置在待调查的流体中。

在优选实施例中，根据图1的传感器被放置在第一外壳中，例如，具有流体入口和流体出口的圆柱体或另一种水容器。被调查的流体被泵送通过第一外壳，使得它沿着第二PCB和第三PCB中的孔流动。结果，出现了流体中杂质到聚合物亲和层3和7的快速质量转移，从而减少了传感器的响应时间。

如前所述，传感器可用作在线电容传感器，以检测水质变化和水溶液的化学成分的变化。

在本发明的另一个实施例中，传感器用于阻抗频谱法。图1中传感器的几何形状使得该传感器是一条同轴传输线的电气等效物。

图3给出了同轴传输线的示意概要图。在图3中，编号14指示同轴传输线的内导体，编号15指示同轴传输线的外导体，而编号16指示同轴传输线的电介质，电介质通常是聚合物。内导体14和外导体15之间的所有场线都穿过电介质16。众所周知，一条传输线具有电容、电感，以及行为类似于短线谐振器。这一特性使得基于传输线的传感器非常适用于阻抗频谱法，即适用于研究电介质2随频率变化的特性。因此，不仅可以研究电介质的静态电容，还可以研究其随频率变化的介电损耗。

类似于图3，图1中的传感器设计，其包括图2中编号为10、12和13的PCB，行为类似于短线谐振器。因此，可以实时及在线测量图1中聚合物亲和层3和7的介电特性随频率变化的变化，而不会受到与感兴趣的分析物不直接相关的周围的水的(变化的)介电特性的干扰。与现有技术相比，这一特性使本发明的技术是独特的。

优选地，传感器连接到输入/输出(实验室)设备(频谱分析仪或简单的计算机系统，例如，raspberry-pi)，该输入/输出设备可以生成频率在100kHz至3GHz范围内的激励信号，并且可以连接到用于远程读出传感器设备的小型计算机平台。

替代地，可以应用频率发生器或函数发生器以及整流器，用于测量信号幅度。频谱分析仪、频率或函数发生器以及整流器通过传输线可操作地连接到传感器。需注意，不排除传感器系统在从100kHz至3GHz的当前优选频率范围之外的工作频率，并且这些工作频率明确构成本发明的技术的一部分。

PCB上曲折导体(meander conductor)的示例在图2中示出为编号11的PCB。为了确保所有场线都穿过聚合物亲和层，曲折的宽度应该受到限制。图2中编号11的PCB上所示的曲折的宽度很可能高得不可接受，导致场线离开传感器并穿过浸没传感器的水。如图2中编号11的PCB所描绘的具有曲折导体的第一PCB明确构成本发明的一部分。

请注意，可以应用附加的保护电极来确保所有场线都穿过聚合物亲和层。如图2中编号11的PCB所描绘的具有曲折导体的第一PCB与保护电极的组合明确构成本发明的一部分。

请注意，编号为12的PCB(图2)中央的直线可能给人的印象是图1中导体4和6的宽度肯定非常小。然而，这并不一定是事实。例如，在本发明的第一优选实施例中，中央的PCB(即图1中的PCB 5)的表面完全被导电材料覆盖，因为这将降低对表面效应的灵敏度。增加导体4和6的宽度将导致传感器的电容增加，并且当传感器工作在高频(即作为短线谐振器)时，将导致传感器谐振频率的变化。在本发明的第二优选实施例中，导体4和6的宽度被用作设计参数，以在传感器作为短线谐振器在高频下工作的情况下，在谐振频率和特性阻抗方面实现期望的传感器特性。

图4示出与图1描述的传感器类似的传感器的横截面。与图2中编号12的PCB所示的先前解释的情况相比，中央的PCB(PCB 25)上的导体22和28的宽度增加。导体22和28的所增加的宽度的不希望的效应是离开传感器的“夹层几何形状”并穿过放置传感器的电介质(例如水)的电场线的数量增加，即，分别从导体28穿过电介质(例如水)到达导体31以及从导体22穿过电介质(例如水)到达导体20。在实际应用中，这通常会发生在导体22和28的边缘与亲和层21和29的边缘之间的距离小于亲和层21和29厚度的大约3倍时。如果发生这种不希望的效应，传感器将对传感器周围与待检测的分析物不直接相关的电介质的特性变化变得更加灵敏。为了防止增加导体22和28的宽度的这种不希望的效应，传感器可以配备有保护电极23、24、26、27。对于大多数应用，图4所示的保护电极22和28的宽度太小。事实上，该宽度优选为亲和层21和29厚度的至少3倍。

在图4的实施例中，导体23和24与导体22电流地分离，而导体26和27与导体28电流地分离。保护电极23、24、26和27优选电流连接形成一个保护电极。类似于图1，图4中PCB 25上的导体22和28(夹层的中央)被电流连接并形成第一感测电极。因此，我们具有包括电流连接的导体22和28的第一感测电极，该第一感测电极被包括电流连接的导体23、24、26、27的保护电极保护。类似地，电流连接的导体20和30被电流连接并形成可选地由保护电极18、19、31和32保护的第二感测电极。因此，我们具有包括电流连接的导体20和30的第二感测电极，该第二感测电极被包括电流连接的导体18、19、31、32的保护电极保护。

在本发明的进一步的优选实施例中，保护电极18、19、23、24、26、27、31、32都被电流地连接并接地或保持在固定电位，既不电流连接到第一感测电极也不电流连接到第二感测电极。连接保护电极的非限制性示例是应用主动保护。通过主动保护，保护电极23、24、26和27与电压源连接，其中电压等于电极22和28的电压。这可以通过例如单位增益放大器同时应用负反馈来实现。代替负反馈，主动保护也可以用前馈原理来实现，这将降低发生不希望的振荡的风险。在本发明的第四优选实施例中，保护电极18、19、23、24、26、27、31、32都与接地或保持在固定电位的第二感测电极电流地连接。注意，在该实施例中，可以省略保护电极18、19、31、32，并且作为替代，可以增加导体20和30的宽度。根据本发明的传感器的重要设计参数是保护电极18、19、23、24、26、27、31、32分别与第一电极和第二电极之间的距离。例如，一方面保护电极23、24和另一方面导体22之间的非常小的距离将使场线保持在传感器内部，但是也将导致大的寄生电容，这降低了传感器的灵敏度。

在本发明的另一实施例中，第一聚合物亲和层3放置在第一PCB之上，以及第二聚合物亲和层7放置在第一PCB下面，也参见图1。聚合物亲和层3和7可以包括功能化聚合物，如PDMS或化学改性的PDMS，功能化聚合物被设计成专门吸收目标分析物。

注意，尽管根据本发明的传感器作为短线谐振器在高频下操作是非常可行的，但是它也可以应用于低频下的电容测量，即，在(远)低于传感器的最低短线谐振器谐振频率的频率下，或者换句话说，在传感器被应用为四分之一波长的末端开路短线谐振器的情形中，在远低于传感器的基本谐振频率的频率下。用于操作传感器进行电容测量的典型频率范围是0Hz(DC)到100kHz。根据本发明的传感器在低于传感器的最低短线谐振器谐振频率的频率下的应用明确构成本发明的一部分。

关于在图1中用编号1、5和7指示的构造材料，可以涉及印刷电路板构造材料，例如，玻璃增强环氧层压板、FR4材料。注意，玻璃、陶瓷和任何其他耐性(耐水)材料对于图1中的导体也是非常可行的支撑材料。

关于图1中的亲和层3和7，注意到除了PDMS或化学改性的PDMS之外，其它聚合物，例如聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(polyethylene-co-vinylacetate)也是非常可行的。聚合物聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物尤其适用于VOC(挥发性有机化合物)的检测。丙烯酸十二烷基酯(Dodecyl acrylates)对于生产对铅离子有选择性的亲和层是非常可行的。对于极性VOC的检测，利用极性单元被改性的聚硅氧烷(polysiloxanes)如SFXA是非常可行的。缩写FPOL代表分子结构，如图5中的结构34。缩写SFXA代表分子结构，如图5中的结构35、36和37。具有包含至少1ppm前述分子的亲和层的传感器明确构成本发明的一部分。

在下文中，提到了传感器的许多非限制性应用示例。

在第一应用中，传感器被应用于检测疏水化合物(或其代谢物)的痕量，例如水中的油痕量和多氯联苯(polychlorinated biphenyls)。

在第二应用中，传感器用于检测水中的金属离子或重金属离子(如铅离子)的痕量。

在第三应用中，传感器用于检测水中的营养物质，如磷酸盐、硝酸盐和硫酸盐。

在第四应用中，传感器用于检测水中的清洁剂，包括非离子清洁剂，例如季戊四醇棕榈酸酯，和离子清洁剂，例如十二烷基硫酸钠。

在第五应用中，传感器用于检测水中的药物(或其代谢物)痕量。

在第六应用中，传感器用于检测水中的农药(或其代谢物)。

在第七应用中，传感器用于检测水中的毒品痕量，例如麻醉剂、XTC和可卡因。

将理解的是，根据本发明也可以设想其他应用。

本发明绝不限于以上描述的其优选的实施方式。所寻求的权利由所附权利要求限定，在所附权利要求的范围内可以设想许多修改。

Claims (18)

1.用于测量诸如水的流体中的化合物和/或离子的介电特性的传感器，所述传感器包括：

-第一印刷电路板(PCB)，其具有第一侧和第二侧；

-第一导体，其在所述第一PCB的第一侧上；

-第二导体，其在所述第一PCB的第二侧上；

-至少一个电流连接部，其在所述第一导体和所述第二导体之间；

-第一聚合物亲和层，其在所述第一PCB的第一侧上；

-第二聚合物亲和层，其在所述第一PCB的第二侧上；

-第二PCB，其中所述第二PCB配备有孔并配备有第一导体板，其中所述第二PCB放置在所述第一聚合物亲和层之上；

-第三PCB，其中所述第三PCB配备有孔并配备有第二导体板，其中所述第三PCB放置在所述第二聚合物亲和层之上；

-至少一个电流连接部，其在所述第一导体板和所述第二导体板之间；

-至少第一函数发生器，其操作性地连接到所述第一导体和所述第二导体，并连接到所述第一导体板和所述第二导体板；以及

-至少第一频谱分析仪或整流器，所述第一频谱分析仪或整流器操作性地连接到所述第一导体和所述第二导体，并连接到所述第一导体板和所述第二导体板，用于通过测量系统测量从所述函数发生器传输的电信号的幅度；

其中，在使用中，所述传感器被放置在流体中，并且流体通过所述孔接触所述聚合物亲和层，并且其中流体中的杂质被选择性地吸收并分散在所述聚合物层中，从而改变所述聚合物亲和层的介电特性。

2.根据权利要求1所述的传感器，还包括至少两个通孔，其中，所述第一导体和所述第二导体在所述第一PCB上通过所述至少两个通孔电流地互连。

3.根据前述权利要求1和2中的一项所述的传感器，还包括具有流体入口和流体出口的外壳，传感器部件放置在所述外壳中，并且其中在使用中，在所述外壳中提供流体流，其中所述传感器至少部分浸没在流体中。

4.根据前述权利要求1至3中的一项所述的传感器，其中，所述第一PCB的第一导体和第二导体包括在PCB表面上的曲折图案，从而增加所述导体的有效长度。

5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的传感器，还包括保护电极。

6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述保护电极的宽度是所述亲和层的厚度的至少三倍。

7.根据权利要求5或6所述的传感器，其中，所述保护电极包括电流地连接的电极，并且其中所述保护电极优选被接地。

8.根据权利要求5或6所述的传感器，其中，所述保护电极保持在固定电位，并且不与所述电极电流地连接。

9.根据权利要求5-8中的任一项所述的传感器，其中，所述保护电极和所述导体以预定距离间隔开。

10.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的传感器，其中，所述传感器被配置用于测量所述第一聚合物亲和层和所述第二聚合物亲和层中的介电损耗。

11.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的传感器，其中，所述传感器被配置用于以下一项或更多项：

检测水中的油痕量，

检测水中的金属离子，

检测水中的药物痕量，

检测水中的农药，

检测水中的毒品痕量，例如，麻醉剂、XTC和可卡因，

检测水中的清洁剂，所述清洁剂包括非离子清洁剂，例如季戊四醇棕榈酸酯，和离子清洁剂，例如十二烷基硫酸钠，以及

用于检测水中的营养物质，例如磷酸盐、硝酸盐和硫酸盐。

12.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的传感器，其中，所述聚合物亲和层中的一个或更多个包括功能化聚合物，其中所述功能化聚合物被配置成吸收特定分析物。

13.用于检测流体中的物质和/或分析物的系统，所述系统包括：

-具有流体入口和流体出口的外壳；其中所述外壳在使用中被配置成至少部分填充有流体，并且其中在使用中，流体流存在于所述流体入口和所述流体出口之间；以及

-根据权利要求1-12中的任一项所述的传感器；其中所述传感器位于所述外壳中、在所述流体入口和所述流体出口之间，并且其中在使用期间，所述传感器至少部分浸没在流体中。

14.用于测量水中化合物和/或离子的介电特性的方法，包括提供根据权利要求1-13的传感器的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以低于其四分之一波长的末端开路短线谐振器谐振频率的第一函数发生器的频率进行操作的步骤。

16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括以低于100kHz的所述第一函数发生器的频率进行操作的步骤。

17.根据权利要求14、15或16所述的方法，所述方法包括检测以下一项或更多项：

水中的油痕量，

水中的金属离子，

水中的药物痕量，

水中的农药，

水中的毒品痕量，例如，麻醉剂、XTC和可卡因，

水中的清洁剂，所述清洁剂包括非离子清洁剂，例如季戊四醇棕榈酸酯，和离子清洁剂，例如十二烷基硫酸钠，以及

水中的营养物质，例如磷酸盐、硝酸盐和硫酸盐。

18.根据权利要求14-17中的任一项所述的方法，所述方法包括测量所述第一聚合物亲和层和所述第二聚合物亲和层中的介电损耗。

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