CN114295645A - 一种工作频率可调的谐振式微波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作频率可调的谐振式微波传感器，属于射频传感器领域。所述谐振式微波传感器由微波谐振器和变容二极管组成，在微波传感器加工完成或者长期使用后通过对比不同频率下传感器的各项参数，确定敏感材料的最佳工作频率，并通过调节变容二极管两端的偏置电压来改变微波传感器的谐振频率，使其始终保持工作在最佳工作频率下从而获得较好的性能；而且相对于传统的传感器，本申请提供的微波传感器测量参数和衍生参数较多，可以对环境的变化进行多参数表征。此外，微波传感器输出参数多，后期使用算法优化时操作空间大；本发明的保护膜在非电极区域进行打孔，可在保护电子元件的前提下，对待测物质有良好的透过率。
Description
技术领域
本发明涉及一种工作频率可调的谐振式微波传感器，属于射频传感器领域。
背景技术
传统的传感器大多为电容式和电阻式，其检测原理是当待测物质浓度或状态发生变化时，传感器电容值或电阻值随之变化，通过检测传感器的电容值或者电阻值就能反映当前环境中待测物质的浓度或状态。但是该类型的传感器普遍存在线性度差、容易受外界干扰等问题。
以湿度传感器为例，现有的湿度传感器主要分为电容式湿度传感器和电阻式湿度传感器，其中电阻式湿度传感器普遍存在线性度差、需要温度补偿、低湿难以检出等问题；而电容式湿度传感器容易受到外界的影响，微小的电容变化就会导致较大的误差。因而传统的传感器的性能容易受到其构成元器件的影响，而且，部分传感器常常需要面对极端恶劣的环境，其构成元器件又极易受到环境的影响，如上所述，一旦其构成元器件出现问题，那么就会影响传感器的性能。
微波传感器作为一种新型的传感器，其检测原理是敏感材料在吸收待测物质或与待测物质发生反应后其介电常数会发生变化，相应的被敏感材料吸收或反射的微波随之变化，对微波的变化进行量化就可以确定待测物物质的浓度或状态。因而相对于传统传感器，微波检测器具有更加稳定的性能。
但是无论是传统的电容式和电阻式传感器，还是微波传感器，都包含敏感材料，不同类型的传感器使用的敏感材料不同，比如湿度传感器采用湿敏材料，气体传感器采用气敏材料；即便是同类型传感器，其所使用的敏感材料也会有所不同，而不同敏感材料在同一电场中极化类型存在较大差异，相应敏感材料的电学特性也有所不同，因此不同敏感材料有其最适合的工作电场频率。当前，大部分传感器多为定频模式，即工作于100Hz，500Hz或1kHz等。
现有的传感器在加工完后，其传感特性基本维持不变，后期使用过程中无法对器件进行优化。现有的微波传感器在加工完后，其谐振频率、品质因数、插入损耗和回波损耗等参数也将保持不变，后期无法调整。但是在传感器的使用过程中，会发生性能漂移，也即，随着使用时间的增加，敏感材料也会受到环境的影响而使得传感器的最佳工作频率发生变化，从而导致其检测结果准确度下降，因为无法对相关参数进行调整，因此只能进行更换。而且传感器的生产过程中，其敏感材料的厚度、形态也会使得其实际的最佳工作频率与理论的最佳工作频率存在误差，同样因为无法对相关参数进行调整，使得其存在一定的检测误差。
发明内容
为了解决现有传感器加工完后性能基本不变，后期无法进行调整和优化的问题，本申请提出了一种由微波谐振器和变容二极管组成的微波传感器，在微波传感器加工完成或者长期使用后通过对比不同频率下传感器的各项参数，确定敏感材料的最佳工作频率，并通过调节变容二极管两端的偏置电压来改变微波传感器的谐振频率，使其始终保持工作在最佳工作频率下从而获得较好的性能；而且相对于传统的传感器，本申请提供的微波传感器测量参数和衍生参数较多，可以对环境的变化进行多参数表征。此外，微波传感器输出参数多，后期使用算法优化时操作空间大；本发明的保护膜在非电极区域进行打孔，可在保护电子元件的前提下，对待测物质有良好的透过率；
一种工作频率可调的谐振式微波传感器，所述谐振式微波传感器包括：微波谐振器、变容二极管、敏感材料、保护膜；
其中，微波谐振器包含由叉指电容和蛇形电感串联组成LC谐振，变容二极管焊接在叉指电容两端，与叉指电容并联；
通过调节变容二极管两端的偏置电压来调整所述谐振式微波传感器的工作频率。
可选的，所述敏感材料旋涂于叉指电容表面，保护膜覆盖于敏感材料之上；
所述微波谐振器包括上、中、下三层，分别为顶层金属、介质层、底层金属，其中顶层金属上表面刻蚀有蛇形电感-叉指电容-蛇形电感串联的微波结构，底层金属为接地层，介质层用于承载顶层金属和底层金属。
可选的，所述保护膜为预打孔的聚合物膜。
可选的，所述微波谐振器预留有两个端口，所述两个端口能够通过SMA转接头与矢量网络分析仪相连。
可选的，所述变容二极管两端分别预留出一个端口用于连接直流电源。
本申请第二个目的在于提供一种微波谐振器工作频率调节方法，所述方法用于调节上述谐振式微波传感器的工作频率，采用所述方法对所述谐振式微波传感器的工作频率进行调节之前，通过SMA转接头将矢量网络分析仪与微波谐振器预留有的两个端口相连，通过变容二极管两端分别预留出的端口与直流电源相连。
可选的，所述方法包括：
将所述谐振式微波传感器置于测试环境中，然后向测试环境中分多次添加待测物，使得环境中待测物的含量以固定梯度逐渐增加；
通过所述直流电源在变容二极管两端施加固定电压，按照上述步骤逐渐改变测试环境中的待测物质的含量，记录矢量网络分析仪的S参数；
以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值，每次改变电压都重复上述改变待测环境中的待测量的操作，记录对应的矢量网络分析仪的S参数；
根据采集的S参数得到所述谐振式微波传感器在不同电压下的相关参数值；
通过对比所述谐振式微波传感器的相关参数，确定所述谐振式微波传感器最佳的偏置电压区间；
确定的最佳偏置电压区间后，减小电压增大的步长，将变容二极管两端施加固定电压值由最佳偏置电压区间的下限逐渐增大至上限，重复上述改变环境中待测物含量、记录数据和分析数据的步骤，直至将最佳偏置电压区间缩小至满足实际要求的范围内，即确定了所述谐振式微波传感器的最佳工作频率。
可选的，所述谐振式微波传感器的相关参数包括灵敏度、线性度和分辨率。
可选的，所述方法在以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值时，电压增大区间在0～30V范围内。
可选的，所述方法在以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值时，电压增大步长为5V。
本申请第三个目的在于提供一种微波谐振器工作频率校正方法，所述微波谐振器为上述谐振式微波传感器，所述校正方法采用上述调节方法将所述谐振式微波传感器中变容二极管两端的电压调节至最佳偏置电压区间。
本发明有益效果是：
区别于传统电容、电阻式传感器，本发明提出了一种由微波谐振器和变容二极管组成的湿度传感器，其结构精简，集成化程度高；传感器使用谐振频率来表征环境的变化，其最大的优势是可以通过调节变容二极管两端的偏置电压来改变微波传感器的谐振频率，在不同谐振频率下敏感材料极化类型不同，传感器的性能差别较大。通过对比不同频率下传感器的各项参数，可以确定敏感材料的最佳工作频率；在后期使用过程中，当发现传感器的参数发生偏移时，也可以通过调节传感器谐振频率进行补偿；相比于电容、电阻式传感器测量参数单一，微波传感器的测量参数和衍生参数较多，可以对环境的变化进行多参数表征。此外，微波传感器输出参数多，后期使用算法优化时操作空间大；本发明的保护膜在非电极区域进行打孔，可在保护电子元件的前提下，对待测物质有良好的透过率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中公开的微波传感器的结构示意图；
图2为本申请一个实施例中公开的微波传感器中微波谐振器和变容二极管的俯视图；
图3为本申请一个实施例中公开的微波传感器的剖面图；
其中：1-保护膜；2-敏感材料；3-微波谐振器的顶层金属；4-变容二极管；5-微波谐振器的介质层；6-微波谐振器的底层金属。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种工作频率可调的谐振式微波传感器，所述微波传感器包括：微波谐振器、变容二极管4、敏感材料2、保护膜1；其中，微波谐振器包括由叉指电容和蛇形电感串联组成LC谐振，变容二极管4焊接在叉指电容两端，与叉指电容并联。
敏感材料2旋涂于叉指电容表面，保护膜1覆盖于敏感材料2之上。
微波谐振器包括上、中、下三层，分别作为顶层金属3、介质层5、底层金属6，其中顶层金属3上表面刻蚀有蛇形电感-叉指电容-蛇形电感串联的微波结构，底层金属6为接地层，介质层5用于承载顶层和底层金属。
实施例二
本实施例提供一种工作频率可调的谐振式微波传感器，以微波湿度传感器为例进行说明，所述微波湿度传感器包括：微波谐振器、变容二极管、湿敏材料、保护膜；其中，微波谐振器包括由叉指电容和蛇形电感串联组成LC谐振，变容二极管焊接在叉指电容两端，与叉指电容并联。
敏感材料旋涂于叉指电容表面，保护膜覆盖于敏感材料之上。
微波谐振器包括上、中、下三层，分别作为顶层金属、介质层、底层金属，其中顶层金属上表面刻蚀有微波结构，底层金属为接地层，介质层用于承载金属。
本实施例提供的一种工作频率可调的微波湿度传感器制备过程中，选取介电常数稳定的基板制备微波谐振器，所述基板即由顶层金属、介质层和底层金属构成的基材。
采用湿法刻蚀的方案在基板上表面刻蚀微波结构，所述微波结构即蛇形电感-叉指电容-蛇形电感串联的微波结构。
基板下表面的金属层保留作为接地层，然后选取两个50Ω的SMA(Sub-MiniatureA)转接头，分别与微波谐振器的两个端口相连，焊接好的微波谐振器与矢量网络分析仪(Vector Network Analyzers，VNA)相连，测试微波谐振器的参数。上述微波谐振器的两个端口分别设置在两个蛇形电感靠外侧的一端。
采用旋涂工艺在微波谐振器中的叉指电容表面旋涂湿敏材料，然后将谐振器放入马弗炉中，按照湿敏材料的最佳升温曲线加热。
将预打孔的保护膜通过加热覆膜机进行升温覆膜，严格紧贴微波谐振器的上层金属；保护膜为聚合物膜，本身不具有亲水特性，打孔后不影响水汽的进出。
选取适用于高频的变容二极管，将变容二极管焊接在微波谐振器中的叉指电容的两端，与叉指电容并联，并在变容二极管两端各引出一个端口用于连接直流电源。改变变容二极管两端的偏置电压，观察微波谐振器的谐振频率的偏移趋势。
传感器湿度测量环境：VNA用于测量该微波湿度传感器的S参数。将微波湿度传感器固定在测量板上，然后放入湿度腔中。微波湿度传感器通过SMA转接头与同轴线缆，线缆通过湿度腔的侧壁孔洞连接至VNA，将VNA通过USB与电脑相连，实时读取传感器的S参数。
首先不在变容二极管两端施加电压，腔体湿度值的变化范围从10％至90％，共9个采样点，以测量标定微波湿度传感器从低湿到高湿的电学特性响应。然后增大变容二极管两端电压，电压由0V增大值30V每次增大5V，每改变一次电压就重复一次上述湿度变化的过程，在此过程中记录S参数。最后分析记录的S参数，对比该微波湿度传感器在不同电压下的灵敏度、线性度等参数，确定偏置电压的最佳工作区间，重复上述步骤，直至确定湿敏材料的最佳工作频率，也即该微波湿度传感器的最佳工作频率。
根据S参数推导得到传感器的灵敏度、线性度等参数的内容可参考“Wang,X.,Liang,J.G.,Wu,J.K.,Gu,X.F.,&Kim,N.Y.(2022).Microwave detection with varioussensitive materials for humidity sensing.Sensors and Actuators B:Chemical,351,130935.”的介绍。
微波湿度传感器测量电路的设计：该专利描述的微波湿度传感器需要配套的射频源和高频检测电路，读取传感器的S参数。检测电路采集传感器的S参数，然后以蓝牙等无线传输方式，将温湿度数据传输至电脑、手机等显示终端，以达到监测环境湿度的目的。对上述电路进行整体DIP封装，构成完整的可直接进行板上数据传输的检测电路芯片。
需要进行说明的是，本实施例仅以微波湿度传感器为例进行说明，如果是其他类型的传感器，只需更换对应的敏感材料即可，比如，如果是微波气体传感器，则此处敏感材料为气敏材料，本申请对此不做限制。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种工作频率可调的谐振式微波传感器，其特征在于，所述谐振式微波传感器包括：微波谐振器、变容二极管、敏感材料、保护膜；
其中，微波谐振器包含由叉指电容和蛇形电感串联组成LC谐振，变容二极管焊接在叉指电容两端，与叉指电容并联；
通过调节变容二极管两端的偏置电压来调整所述谐振式微波传感器的工作频率。
2.根据权利要求1所述的谐振式微波传感器，其特征在于，所述敏感材料旋涂于叉指电容表面，保护膜覆盖于敏感材料之上；
所述微波谐振器包括上、中、下三层，分别为顶层金属、介质层、底层金属，其中顶层金属上表面刻蚀有蛇形电感-叉指电容-蛇形电感串联的微波结构，底层金属为接地层，介质层用于承载顶层金属和底层金属。
3.根据权利要求1所述的谐振式微波传感器，其特征在于，所述保护膜为预打孔的聚合物膜。
4.根据权利要求1所述的谐振式微波传感器，其特征在于，所述微波谐振器预留有两个端口，所述两个端口能够通过SMA转接头与矢量网络分析仪相连。
5.根据权利要求1所述的谐振式微波传感器，其特征在于，所述变容二极管两端分别预留出一个端口用于连接直流电源。
6.一种微波谐振器工作频率调节方法，其特征在于，所述方法用于调节权利要求1-5任一所述的谐振式微波传感器的工作频率，采用所述方法对所述谐振式微波传感器的工作频率进行调节之前，通过SMA转接头将矢量网络分析仪与微波谐振器预留有的两个端口相连，通过变容二极管两端分别预留出的端口与直流电源相连。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述谐振式微波传感器置于测试环境中，然后向测试环境中分多次添加待测物，使得环境中待测物的含量以固定梯度逐渐增加；
通过所述直流电源在变容二极管两端施加固定电压，按照上述步骤逐渐改变测试环境中的待测物质的含量，记录矢量网络分析仪的S参数；
以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值，每次改变电压都重复上述改变待测环境中的待测量的操作，记录对应的矢量网络分析仪的S参数；
根据采集的S参数得到所述谐振式微波传感器在不同电压下的相关参数值；
通过对比所述谐振式微波传感器的相关参数，确定所述谐振式微波传感器最佳的偏置电压区间；
确定的最佳偏置电压区间后，减小电压增大的步长，将变容二极管两端施加固定电压值由最佳偏置电压区间的下限逐渐增大至上限，重复上述改变环境中待测物含量、记录数据和分析数据的步骤，直至将最佳偏置电压区间缩小至满足实际要求的范围内，即确定了所述谐振式微波传感器的最佳工作频率；
所述谐振式微波传感器的相关参数包括灵敏度、线性度和分辨率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法在以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值时，电压增大区间在0～30V范围内。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法在以固定步长逐步增大在变容二极管两端施加的固定电压值时，电压增大步长为5V。
10.一种微波谐振器工作频率校正方法，其特征在于，所述微波谐振器为权利要求1-5任一所述的谐振式微波传感器，所述方法采用权利要求6-9任一所述的方法将所述谐振式微波传感器中变容二极管两端的电压调节至最佳偏置电压区间。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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