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Die
Erfindung betrifft einen resonanten Mikrowellensensor zur Bestimmung
von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials mittels hochfrequenter
Messung eines Reflexionsfaktors mit einem Mikrowellenzuleiter zur
Zuleitung des hochfrequenten Signals und einem Sensorkopf.
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Die
Messung von Stoffeigenschaften mit Mikrowellensensoren durch Auswertung
von Resonanzfrequenzen und der Güte
einer Resonanzkurve, die durch Beaufschlagen des Mikrowellensensors
mit einem gewobbelten hochfrequenten Signal aufgenommen wird, ist
hinreichend bekannt. Hierbei wird das Signal mit veränderlicher
Frequenz in den Mikrowellensensor eingekoppelt und die Resonanzfrequenz
und gegebenenfalls die Güte
bestimmt.
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Derartige
resonante Mikrowellensensoren werden genutzt, um die Feuchtigkeit
innerhalb von Bauwerken (Beton, Mauerwerk, etc.) messtechnisch zu
erfassen, da deren Kenntnis aus vielen Gründen notwendig ist. Ein hoher
Feuchtegehalt im Mauerwerk führt
zur Veränderung
physikalischer Kennwerte: der Wärmewert
wird reduziert; es entstehen Formveränderungen, Korrosion, erhöhte Frostempfindlichkeit,
Schäden durch
aufsteigende Salze und Zerstörungen
durch Pilze, deren Sporen zusätzlich
die Gesundheit beeinträchtigen
können.
Feuchte kann aus diesen Gründen
mitunter sogar zu einem statischen Versagen des Mauerwerks führen. Um
dieses, insbesondere im Hinblick auf den alternden Bauwerksbestand
zu verhindern, werden kompakte Sensoren benötigt, welche die Feuchte sehr
empfindlich und ohne den störenden
Einfluss von Querempfindlichkeiten zerstörungsfrei messen können.
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Eine
anerkannte Standardmethode zur Detektion von Feuchte in Bauwerken
ist die Entnahme von Bohrkernen und deren anschließende chemische
oder thermogravimetrische Analyse im Labor. Neben dem offensichtlichen
Nachteil der zerstörenden
Einwirkung auf das Bauwerk ist diese Methode sehr aufwendig, langwierig
und daher teuer. Weiterhin muss der zu untersuchende Teil des Bauwerkes zugänglich und
oberflächennah
sein, was in der Praxis oftmals nicht gewährleistet ist. Aus der Vielzahl der
Gründe
schließt
das Verfahren ein In-Situ-Monitoring vollständig aus.
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Kapazitive
Methoden messen die Änderung der
dielektrischen Eigenschaften eines Materials bei variierendem Feuchtegehalt.
Typische Arbeitsfrequenzen befinden sich im niedrigen MHz-Bereich. Das
Verfahren ist zerstörungsfrei.
Aufgrund der konzeptbedingten niedrigen Arbeitsfrequenz von wenigen
MHz weisen kapazitive Sensoren eine starke Querempfindlichkeit gegenüber in Bauwerken
inhärent
existenten Salzen auf. Dieses erschwert die Bestimmung der Feuchte
erheblich.
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Neutronensonden
nutzen die Bremswirkung von Wasser auf Neutronen hoher Energie aus,
um den Feuchtegehalt eines Bauwerks zu überprüfen. Dieses Messverfahren ist
zerstörungsfrei
und erlaubt auch das Erfassen von Feuchte in tiefer liegenden Schichten
eines Bauwerks. Die Nutzung der Neutronensonde erfordert eine gründliche
und spezielle Ausbildung des Anwenders sowie die Beachtung besonderer
Sicherheitsvorkehrungen beim Transport und Lagerung. Zudem sind
die Geräte
zu groß und teuer
für die
(in-Situ-)Anwendung in Messsystemen.
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Mikrowellenverfahren
basieren ebenso wie die kapazitiven Methoden auf der Änderungen
der dielektrischen Eigenschaften eines Materials bei variierender
Feuchte. Hierbei werden jedoch mögliche Querempfindlichkeiten
gegenüber
Salzen durch die Verwendung einer hohen Arbeitsfrequenz von z. B. 2,5
GHz minimiert. Die Mikrowellenverfahren eignen sich im besonderen
Maße für die Detektion
von Feuchte in Bauwerken. Allerdings sind bestehende Sensoren aufgrund
ihrer Auslegung als Hohlraumresonator sehr groß oder sie besitzen eine starke
Querempfindlichkeit gegenüber
Temperaturschwankungen.
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Ein
solcher Mikrowellensensor ist beispielsweise in der
DE 101 02 578 C2 beschrieben.
Der Sensor dient der Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden
Materials mittels der hochfrequenten Messung des Reflektionsfaktors.
Das Hochfrequenzsignal wird durch eine koaxiale Zuführung zum
Resonator geleitet. Dieser besteht aus einem Rundhohlleiter, in
dem durch ein Trägermaterial
ein sich in drei-Raum-Dimensionen
erstreckender Wendelleiter (Helix) gehalten wird. Der Wendelleiter
wird durch das elektromagnetische Feld angeregt. Der Rundhohlleiter
ist in drei Schichten unterteilt, welche die Ankopplung, die Resonanzfrequenz
und die Empfindlichkeit des Sensors bestimmen. Der Resonator wird
durch eine feuchtesensitive und mit der Umgebung in Kontakt stehende
Schicht belastet und verändert
daher in Abhängigkeit
von dessen Feuchte seine charakteristischen Eigenschaften, wie die
Ankopplung, die Güte
und die Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz ist besonders zur
Bestimmung der Feuchte geeignet. Ein Problem ist, dass sich bei Temperaturschwankungen
die Länge
des Helixdrahtes und damit der Abstand zwischen Wellenwendelleiter
und sensitivem Material verändert,
der maßgeblich
für die
Empfindlichkeit des Sensors ist. Die daraus resultierende Veränderung
der Resonanzfrequenz erlaubt somit nur ein genaues Bestimmen der Feuchte
nach einer sehr aufwendigen Kalibrierung über den zweidimensionalen Parameterraum
Feuchte und Temperatur. Die Verwendung eines Materials im Resonator
hat den Vorteil, dass die Helix zentriert gehalten und das Innere
des Sensors gegen das Eindringen von Verschmutzungen geschützt wird.
Das hierfür
genutzte chemisch inerte Material Teflon ist zwar verlustarm, hat
aber, wie eine Reihe anderer dielektrischer Materialien, den Nachteil
eines irreversiblen Temperaturverhaltens. Der Grund hierfür liegt in
der prinzipbedingten Nachbarschaft von Materialien mit variierenden
thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Metall – dielektrisches Material).
Hierdurch kommt es bei Temperaturschwankungen zu mechanischen Spannungen
und somit zu irreversiblen Ver schiebungen in der Lage der Helix,
deren Auswirkung nicht durch Kalibrierroutinen kompensiert werden können.
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EP 0 908 718 A1 offenbart
einen Mikrowellen-Streufeldsensor zur Feuchte- und/oder Dichtemessung
mit einem rotationssymmetrischen geschlossenen Ringleiter.
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US 5,334,941 A1 offenbart
einen resonanten Mikrowellen-Reflexionssensor mit einem schlitzgekoppelten
Dipol-Resonator. Der sich von einer Einkoppelstelle in zwei Seiten
erstreckende Dipol-Resonator ist relativ groß.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten resonanten
Mikrowellensensor zu schaffen, der besonders kompakt und robust
ist und eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen
hat.
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Die
Aufgabe wird mit dem Mikrowellensensor der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass an dem Ende des Mikrowellenzuleiters ein an den Sensorkopf
angrenzender elektrisch leitfähiger
Resonator angeordnet ist und dass der Sensorkopf eine für mindestens
eine zu bestimmende Eigenschaft des zu untersuchenden Materials
sensitive Schicht aufweist.
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Die
Nutzung eines solchen zweidimensionalen Resonators, der sich planar
auf einer Ebene erstreckt und als Monopol von einem Ende des Resonators
gespeist ist, wobei das andere Ende des Resonators offen ist, hat
den Vorteil, dass sich der Resonator nicht in Richtung der sensitiven
Schicht ausdehnen kann. Damit wird der Einfluss der Temperatur auf
das Reflexionsspektrum des Resonators minimiert. Auf der anderen
Seite ergeben sich aus der Verwendung des Resonators keine Einschränkungen bezüglich der
breitbandigen Abstimmbarkeit des Resonators. Die Resonanzfrequenz
kann einfach durch Veränderung
der Resonatorlänge
eingestellt werden.
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Der
planare Resonator bestimmt die Resonanzfrequenz und kann in flexibler
Art aus einer beliebig großen
Anzahl beliebig gefasster und miteinander verbundener Leiterstücke gebildet
werden.
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Durch
die Nutzung eines zweidimensionalen Resonators, wie beispielsweise
einer Spirale, im Vergleich zur Helix ergibt sich zudem vorteilhafterweise eine
um ein Vielfaches vergrößerte Wechselwirkungsfläche zwischen
dem die Resonanzfrequenz bestimmenden Element und dem sensitiven
Material, so dass die Gesamtempfindlichkeit des Sensors gegenüber der
Feuchte steigt und Störeinflüsse durch die
Temperaturschwankungen weiter an Bedeutung verlieren. Zudem kann
durch die Verwendung einer Spirale, insbesondere im Vergleich zum
Dipol-Resonator eine erhebliche Reduzierung der Länge des Sensors
erreicht werden.
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Da
es sich bei dem Resonator, wie z. B. einer Spirale um eine planare
Struktur handelt, kann diese einfach und hochgenau durch photolithographische Prozesse
hergestellt werden. Somit wird es ebenfalls möglich, den Resonator zusammen
mit der Mikrostreifenzuleitung auf einem Substrat integriert herzustellen.
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Die
Spirale wird vorzugsweise aus einer auf einer Ebene planar spiralförmig um
ein Zentrum in Kreisbahn gewickelten Leiterbahn gebildet. Kreisbahn
wird in diesem Zusammenhang so verstanden, dass der Radius der Kreisbahn
ausgehend vom Zentrum kontinuierlich beim Durchlaufen der Spirale
in Abhängigkeit
vom Bogenwinkel zunimmt.
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Optional
kann der Resonator aber auch aus einer Vielzahl gerader Leiterstücke gebildet
sein, die mit ihren Enden aufeinanderfolgend so angeordnet sind,
dass für
jede Leiterbahn die aufeinanderfolgenden Enden der jeweils beiden
aufeinanderfolgenden Leiterbahnen senkrecht zueinander stehen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der Mikrowellenzuleiter in einem zylindrischen Rohr angeordnet,
dessen Ende den zylinderförmigen
Sensorkopf bildet. Der Resonator ist dann in der Ebene quer zur
Längsrichtung
des Rohres planar angeordnet, so dass sich der planare Resonator
radial im Rohrquerschnitt erstreckt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind der Mikrowellenzuleiter und der Resonator auf einer Ebene auf
einer ersten Oberfläche
eines plattenförmigen
Substrats angeordnet, wobei sich der Sensorkopf von dem Substrat
senkrecht zur Ebene er streckt. Diese Ausführungsform kann besonders kompakt
und durch photolithographische Prozesse sehr einfach und hochgenau
hergestellt werden.
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Bei
diesem resonanten Mikrowellensensor kann auf einer zweiten Oberfläche des
Substrats, die der ersten Oberfläche
des Substrats gegenüberliegt, auf
der der Mikrowellenzuleiter und der Resonator angeordnet sind, eine
mit elektrischer Masse verbindbare Masse-Ebene sein.
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Der
Sensorkopf kann auf der zweiten Oberfläche des Substrats, die die
Masse-Ebene trägt, angeordnet
sein. Dann dient das Substrat als Abstandshalter und Dichtung zwischen
dem sensitiven Material und dem Resonator. Das Substrat bildet somit
eine Zwischenschicht zwischen sensitiven Material und Resonator.
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Es
ist aber auch denkbar, dass der Sensorkopf auf der ersten Oberfläche des
Substrats, die die Mikrowellenzuleiter und den Resonator trägt, angeordnet
ist. Dann ist eine Zwischenschicht zwischen dem Resonator und der
sensitiven Schicht im Sensorkopf angeordnet, die als Abstandshalter
und Dichtung wirkt. Diese Zwischenschicht kann eine Folie sein.
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Der
Resonator und der Mikrowellenzuleiter können galvanisch miteinander
gekoppelt sein. Es ist aber auch denkbar, dass Resonator und der
Mikrowellenzuleiter mit einer Schlitzkopplung miteinander gekoppelt
sind.
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Der
resonante Mikrowellensensor kann beispielsweise zur Feuchtigkeitsmessung
eingerichtet sein, indem die sensitive Schicht zur Ermittlung von Feuchtigkeit
in dem an die sensitive Schicht angrenzenden zu untersuchenden Material
geeignet ist. Der Einsatz des Mikrowellensensors ist nicht auf die
Anwendung als Feuchtesensor beschränkt. Er kann gleichermaßen zur
Messung von Stoffeigenschaften verwendet werden, die zur Änderung
der dielektrischen Eigenschaften des sensitiven Materials in dem Sensorkopf
führen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – perspektivische
Schnittansicht einer ersten rohrförmigen Ausführungsform des resonanten Mikrowellensensors;
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2 – perspektivische
Teilschnittansicht einer zweiten planaren Ausführungsform des Mikrowellensensors;
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3 – perspektivische
Teilschnittansicht einer dritten planaren Ausführungsform des resonanten Mikrowellensensors;
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4 – perspektivische
Teilschnittansicht einer vierten planaren Ausführungsform des resonanten Mikrowellensensors
mit Ankopplung der Spirale an das sensitive Material durch das die
Spirale tragende Substrat.
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Die 1 lässt eine
erste zylinderförmige Ausführungsform
des resonanten Mikrowellensensors 1 erkennen, der in einem
zylinderförmigen
Rohr als Gehäuse 2 realisiert
ist. Auf einem Substrat 3 ist eine Mikrostreifenzuleitung 4 angeordnet.
Gegenüberliegend
von der ersten Oberseite des Substrats 3, die die Mikrostreifenzuleitung 4 trägt, ist
eine mit elektrischer Masse verbundene Masse-Ebene 5 auf der
zweiten Oberfläche
des Substrats 3 vorgesehen, um die Mikrostreifenleitung
zu bilden. Das Substrat 3 ist an den Seitenkanten mit der
Innenwand des rohrförmigen
Gehäuses 2 verbunden.
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An
dem Ende der Mikrostreifenzuleitung 4 ist ein Resonator 6 in
Form einer Spirale galvanisch mit der Mikrostreifenzuleitung 4 verbunden.
Die Spirale 6, die die Resonanzfrequenz des resonanten
Mikrowellensensors 1 bestimmt, ist quer zur Längsrichtung des
rohrförmigen
Gehäuses 2 planar
und erstreckt sich lediglich zweidimensional in radialer Richtung des
Gehäuses 2.
Die spiralförmige
Leiterbahn hat hierbei einen ausgehend vom Zentrum der Spirale 6, an
dem die Spirale 6 mit der Mikrostreifenzuleitung 4 verbunden
ist, kontinuierlich zunehmenden Radius.
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Die
dem Substrat 3 gegenüberliegende
planare Fläche
der Spirale 6 wird mit einer Zwischenschicht 7 in
Form einer Abstands- und Dichtungsfolie abgedeckt, die den gesamten
Querschnitt im Inneren des Gehäuses 2 ausfüllt. Die
Zwischenschicht 7 grenzt an ein sensitives Material 8 an,
das für
die zu bestimmende Eigenschaft eines zu untersuchenden Materials
sensitiv ist. Das in einem Sensorkopf 9 untergebrachte
sensitive Material 8 ist vorzugsweise zur Messung von Feuchtigkeit
bestimmt, wobei sich die dielektrischen Eigenschaften des sensitiven
Materials 8 in Abhängigkeit
von der Feuchtigkeit ändern. Die
Auswahl des sensitiven Materials ist an sich bekannt und sollte
so erfolgen, dass die Querempfindlichkeiten insbesondere hinsichtlich
von Temperaturabhängigkeiten
möglichst
gering sind.
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Aus
der Messung und Auswertung des Reflexionsfaktors r werden die Eigenschaften
des sensitiven Materials bestimmt.
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Durch
die Verwendung der zweidimensional in radialer Richtung ausgedehnten
Spirale 6 erfolgt keine thermische Ausdehnung in Richtung
des sensitiven Materials 8, so dass der Einfluss der Temperatur
auf das Reflexionsspektrum des Resonators minimiert wird. Durch
die Auswahl der Spirallänge
kann die Resonanzfrequenz eingestellt werden.
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Die
Spirale 6 wird direkt mit der Mikrostreifenzuleitung 4 verlötet. Das
Substrat 3, auf dem die Mikrostreifenzuleitung 4 angeordnet
ist, wird großflächig mit
dem Gehäuse 2 verbunden,
so dass auch hier keine irreversible Änderungen der Geometrie mit Temperaturschwankungen
auftreten können.
Die Abdichtung des Sensors 1 wird durch den Einsatz einer hermetisch
dichten Zwischenschicht 7 erreicht. Mit der Zwischenschicht 7 kann
auch der Abstand zwischen dem sensitiven Material 8 und
der Spirale 6 und damit die Empfindlichkeit des Sensors
genau eingestellt werden.
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Die 2 lässt eine
perspektivische Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform
des resonanten Mikrowellensensors 1 erkennen. Die Mikrostreifenleitung
erstreckt sich auf der zweiten Oberseite des Substrats 3 vorzugsweise
entlang der Mittelachse des Substrats 3. Die Spirale 6 ist
auf der gegenüberliegenden
ersten Ober seite des Substrats 3 angeordnet, wobei die
Mikrostreifenleitung über
ein Via durch das Substrat 3 mit dem Zentrum der Spirale 6 elektrisch
verbunden ist. Bei der dargestellten Anordnung befindet sich die
Mikrostreifenzuleitung 4 somit auf der Unterseite des Substrates 3 und
koppelt die auf der Oberseite des Substrates 3 befindliche
Spirale 6 mittels einer Durchkontaktierung galvanisch an.
Die Spirale 6 ist durch eine Zwischenschicht 7 als
Abstandshalter und Dichtung in Form einer Folie beliebiger Dicke
von dem sensitiven Material 8 getrennt. Die Masse-Ebene 5 ist
auf der ersten Oberfläche
des Substrats 3, d. h. der Oberseite, angeordnet, auf der
sich auch die Spirale 6 befindet. Die Masse-Ebene 5 und
die durch das Substrat 3 beabstandet von der Masse-Ebene 5 angeordnete
Mikrostreifenzuleitung 4 bilden eine Mikrostreifenleitung.
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Diese
Ausführungsformen
und die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil,
dass sie sehr einfach und hochgenau durch photolithographische Prozesse
hergestellt werden können.
Der Resonator 6 kann zusammen mit der Mikrostreifenzuleitung 4 und
der Masse-Ebene 5 integriert auf dem Substrat 3 hergestellt
werden. Anschließend
muss lediglich der Sensorkopf 9 mit dem sensitiven Material 8 auf
dem Substrat 3 platziert werden.
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Die 3 lässt eine
dritte Ausführungsform des
resonanten Mikrowellensensors 1 erkennen. Wiederum sind
die Mikrostreifenzuleitung 4, die Spirale 6 und
die Masse-Ebene 5 auf
einem Substrat 3 integriert. Die Mikrostreifenzuleitung 4 erstreckt
sich dabei auf der ersten Oberfläche
des Substrates 3, d. h. auf der Oberseite, und ist galvanisch
mit dem äußeren Ende
der Spirale 6, dem Ende mit dem größten Radius verbunden. Bei
dieser Ausführungsform
ist auch eine Ankopplung über
das elektromagnetische Feld möglich,
wie z. B. eine Schlitzkopplung. Der hierfür benötigte Aufbau als Mehrlagen-Substrat
entspricht dem Stand der Technik.
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Wiederum
ist der Sensorkopf 9 mit dem sensitiven Material 8 und
der Zwischenschicht 7 in Form einer Abstandshalter- und
Dichtungsfolie auf dem Substrat 3 so platziert, dass das
Zentrum des Sensorkopfes mit dem Zentrum der Spirale 6 übereinstimmt.
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Die 4 lässt eine
vierte Ausführungsform des
resonanten Mikrowellensensors 1 erkennen, bei dem die Mikrostreifenzuleitung 4 und
die Spirale 6 auf der zweiten Oberfläche des Substrats 3,
d. h. auf der Unterseite, angeordnet sind. Wiederum ist die Mikrostreifenzuleitung 4 mit
dem äußeren Ende
der Spirale 6, d. h. mit dem Ende mit dem größten Radius, galvanisch
verbunden oder elektromagnetisch angekoppelt. Auf der gegenüberliegenden
ersten Oberfläche
(Oberseite) des Substrats 3 befindet sich der Sensorkopf 9 mit
dem sensitiven Material 8 sowie die Masse-Ebene 5.
Bei dieser Ausführungsform
kann das Substrat 3 die Zwischenschicht 7 ersetzen
und als Abstandshalter und Dichtung genutzt werden.
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Bei
den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen
kann die leitfähige
Spirale auch optional mit Hilfe von etablierten Depositionstechniken
auf das sensitive Material 8 oder insbesondere auf die
Zwischenschicht 7 in Form einer Folie aufgebracht werden.
Dies hat den Vorteil, dass relative Verschiebungen zwischen der
Spirale 6 und dem sensitiven Material 8 ausgeschlossen
werden und die mechanische Stabilität verbessert wird.