JP2016515202A - 媒体の誘電特性を求めるためのセンサおよび方法 - Google Patents

Abstract

ここで提案されているのは、媒体（２０５）の誘電特性を特定するためのセンサ（１０）である。センサ（３００）は、少なくとも１つのスルーコンタクト部（２０３，２０４）を有する基板（３０１，３０２）と、基板（３０１）の上側表面に対して平坦に配置されている導波器（１２）とを有している。この導波器（１２）は、少なくとも１つのスルーコンタクト部（２０３、２０４）を介して分析装置（２０）に接続可能である。さらに、導波器（１２）は、分析装置（２０）から入力信号を受信して、この分析装置（２０）に出力信号を送出するように構成されており、導波器（１２）と媒体（２０５）とが接触接続する際の、上記の入力信号および出力信号の特性は、媒体（２０５）の誘電特性を示している。導波器（１２）を基板（３０１）に対して平坦に配置することにより、一層広い測定範囲および一層改善された測定精度が可能になる。さらに上記の平坦な構造により、コンパクトな構成が得られる。さらに本発明ではセンサ装置およびセンサを用いて媒体の誘電特性を特定するための方法が提案される。

Description

本発明は、媒体の誘電特性を求めるためのセンサおよび方法に関する。さらに本発明は、上記のようなセンサおよび分析装置を有するセンサ装置に関する。

種々異なる技術分野において、媒体の１つまたは複数の誘電特性を特定することが必要になることがある。このような特定は、例えば、マイクロ波を用いて行うことができ、ここでは、例えば伝送測定、反射測定または共振測定のような種々異なる方法が使用可能である。伝送測定において、誘電特性は、媒体または導体を通る複数の信号の通過（伝送）に基づいて求められる。反射測定において、誘電特性は、媒体における信号の反射または媒体による信号の反射に基づいて求められる。共振測定は、媒体の複数の共振特定に、すなわち振動特性に基づいており、これらの共振特性それ自体は、誘電特性を求めるために使用可能である。

上記の測定の結果は、媒体の複数の誘電特性を、殊に複素誘電率を求めるのに使用可能である。これら特性により、媒体の別のさまざまな特性について情報を得ることができる。これに含まれるのは、例えば媒体におけるグルコース、アルコールまたは塩分の濃度である。

上記の誘電率の特定は、医学においてまたは別の産業装置において、例えばプロセス用計器においてなど種々異なる分野で所望され得る。この際に望ましいのは、わずかな濃度変化であっても確認できることであり、このためには高い測定精度が必要である。

したがって本発明の課題は、媒体の誘電特性を特定する測定精度を改善することである。

このために本発明では、媒体の誘電特性を特定するためのセンサが提案される。このセンサは、少なくとも１つのスルーコンタクト部を有する基板と、基板の上側表面に対して平坦となるように配置されている導波器とを有する。この導波器は、少なくとも１つのスルーコンタクト部介して分析装置に接続可能である。さらに導波器は、分析装置から入力信号を受信して、この分析装置に出力信号を送出するように構成されており、導波器と媒体とが接触接続する際の入力信号および出力信号の特性は、この媒体の誘電特性を示している。

上で提案されるセンサによれば、伝送測定および反射測定を行うことができる。その平坦な構造により、媒体の誘電特性の測定精度が改善される。さらにコンパクトな測定ユニットを実現することができ、これにより、多くの技術分野に上記のセンサを使用することができる。このセンサは小さなサイズを有し得るため、移動式に使用することも可能である。このセンサは、例えば医療分野において移動式装置として使用することができ、この装置は、人間に対して直に測定を行うことでき、この際に媒体は皮膚とすることが可能である。したがって試料採取を省略することができる。

さらに上記のセンサは、固定設置式装置または移動式装置として種々異なる産業装置に使用可能である。ここではセンサは、上記と同様に媒体に直接接触させて取り付けることができ、これによって試料採取を省略することができる。

ここで説明しているセンサでは、基板に対して平坦に導波器が配置されている。基板としては、例えばプリント基板を使用することができる。この基板は、誘電体材料から構成されるかまたは誘電体材料を有し得る。

上記の導波器は、基板の上側表面に対して平坦となるように配置することができる任意のタイプの導波器とすることが可能である。ここで「基板の上側表面に対して平坦である」とは、基板の上側表面上で平坦であることまたは上側表面と面一に平坦であることを意味し得る。この導波器は、有利には平坦な導波器である。上記のような平坦な配置により、コンパクトのセンサユニットを得ることができる。「平坦」とは、センサ装置の上側表面が平坦なまたは平らな導波路の配置のことである。

上記の導波器は、複数のスルーコンタクト部を介して分析装置に接続可能である。この関連においてこれらスルーコンタクト部は、基板の上側表面からこの基板の反対側まで基板を貫通して延在する開口部のことである。

上記の分析装置は、入力信号を導波器に送信し、この導波器から出力信号を受信し、これらの２つの信号の特性に基づいて、媒体の誘電特性を特定するのに好適な任意の装置とすることができる。上記の特定は、例えば、上記の入力信号および出力信号の位相および／または振幅を比較することに基づいて行うことができる。なぜならば、これらは材料に依存して、すなわち媒体に依存して変化するからである。

導波器によって送信される信号は、導波器の周りに漂遊場を形成する。この（電磁的な）漂遊場は、媒体を通り抜ける。この際に、例えば上記の入力信号および出力信号の位相および／または振幅が変化する。これらの変化は、媒体の１つまたは複数の誘電特性を特定するために使用可能である。

上記の入力信号は、分析装置によって形成される。行うべき測定が伝送測定である場合、この入力信号は、導波器の一方の端部においてこの導波器に供給され、この導波器の他方の端部において出力信号として再び分析装置によって受信される。反射測定の場合、入力信号は、導波器の一方の端部に供給される。この場合には開放されている、すなわち電気的に接続されていない端部には、信号が導波器から媒体に入り、媒体によって少なくとも部分的に反射され、導波器に戻る。この戻った信号は、ここでも分析装置により、出力信号として受信される。

上記の分析装置は、例えば、ネットワークアナライザとすることが可能である。このようなネットワークアナライザは、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）とすることが可能である。このネットワークアナライザは、電気的な測定対象体の散乱パラメタを測定するために使用可能である。散乱パラメタとは、測定対象体の反射および伝送特性のことである。ここで説明しているセンサとの関連において、「測定対象体」とは媒体のことである。この媒体は、固体、液体または気体の状態を取り得る。ここで媒体は、特に液体または気体とすることが可能である。

したがってここで説明しているセンサにより、媒体の誘電特性を特定するためのコスト的に有利な装置が提供される。この装置により、広い測定領域にわたる誘電特性の特定が行われる。上記のセンサは、試料採取することなく使用することができ、したがって従来のセンサよりも取り扱いが容易である。

一実施形態において、導波器は、基板の上側表面上に平坦に配置されている。

この実施形態によれば、導波器は、基板の上側表面に配置される平坦な導波器である。ここで平坦とは、導波器が平らでありかつ基板と共に１つの平坦な面を構成することである。

別の実施形態において導波器は、ストリップ線路である。

ストリップ線路は、マイクロストリップ線路、コプラナ線路またはスロット線路とすることができる。別のタイプのストリップ線路または別の平坦な導波器も考えられる。これらのタイプの導波器によって得られる利点は、これらの導波器が、例えば従来のプリント基板のような基板上に平坦に配置できることである。ストリップ線路は一般的に、誘電体（例えば基板）上に被着されかつ一つまたは複数の薄い導電性のストリップから構成される。

別の実施形態において、上記の基板は、少なくとも２つのスルーコンタクト部を有しており、導波器は、これらの少なくとも２つのスルーコンタクト部を介して上記の分析装置の入力端子および出力端子に接続可能である。

これにより、導波器と分析装置とを導波器の２つの端部において接続可能である。この場合、分析装置は２ポート分析装置とすることができる。この装置は、伝送測定に使用され、ここでは入力信号は、分析装置によって導波器の一方の端部に供給され、出力信号が導波器の他方の端部において受信される。導波器と検査対象の媒体とが接触接続すると、すなわち「負荷が加わる」と直ちに、上記の入力信号に対して出力信号の特性が変化する。例えば、いわゆる散乱パラメタ（Ｓパラメタ）を求めることができる。このＳパラメタは、周波数に応じて測定され、反射および伝送の複数の値を示す。これらの値から、適当な方法を用いて、例えば誘電率のような媒体の誘電特性を特定することができる。

別の実施形態において、導波器の一方の端部は、基板と平坦に配置されている。

この実施形態では、導波器の一方の端部だけが基板の上側表面に接して配置されており、導波器がスルーコンタクト部を貫通して延在するようにこの導波器が配置されている。基板の上側表面に接する導波器の上記の端部は、基板と共に平坦に配置されている。

別の実施形態においては、導波器は開放導体して構成されている。

開放導体、すなわち一方の端部だけが分析装置に結合されているのに対し、他方の端部には電気的な接続がない導体は、上で説明したように反射測定に使用される。導波器に供給される信号は、上記の開放端部において導波器から送出される。検査対象の媒体により、上記の信号の少なくとも一部分は導波器に反射されて導波器に帰還する。この帰還に基づき、ここでもＳパラメタを特定することができる。上記のネットワークアナライザは、この場合に１ポートとして構成することができる。

別の実施形態において、基板は誘電体材料を有する。

上記の基板は、誘電体材料から構成されるプリント基板とすることが可能である。

別の実施形態では、基板の上側表面にわたって保護層が配置されている。

このような保護層は、汚染に対する保護または媒体による湿りに対する保護に使用することができる。この保護層は、例えばシートとすることが可能である。保護層用の材料として、例えばパリレンＣまたはシリコーンを使用することできる。これらの材料は、高い温度領域にわたって使用可能である。また別の材料も使用することができる。これらの材料は有利には、導波器の高周波特性に影響を与えないようにする。保護層は極めて薄く、例えば数マイクロメートルの厚さとすることができ、例えば５ないし１０マイクロメートルの範囲とすることができ、このことはまた、導波器の高周波特性に影響を与えないようにすることにも寄与する。

別の実施形態において、基板は、上側基板層および下側基板層を有する。

２つの基板層は、同じ材料から作製することができる。下側基板層には、分析装置を組み込むことができる。

別の実施形態において、上記の上側基板層と下側基板層との間にはアース層が配置されている。

このアース層は、上側基板層と下側基板層とを分離する。スルーコンタクト部が、基板全体を貫通してはいないが、基板層だけを貫通してアース層にまで達していれば、このアース層によってアースとの接続が可能になる。アース層は、金属から構成するかまたはメタライゼーションを有することができる。

別の実施形態において、導波器は、同軸接合部を介して、下側基板層における別の導波器に接続されている。

同軸接合部とは、広帯域の接合部のことであり、すなわち、導波器と、別の導波器または別の導体との間の接続部のことである。このことが意味するのは、導波器が、複数の広帯域の接合部を介して分析装置に接続できることである。広帯域の接合部により、広い周波数領域の伝送が得られる。このために同軸接合部を使用する。これらの接合部は、同軸導体によって設けられ、内部導体を有しており、この内部導体の周りには同軸に別の導体を有している。この別の導体は、複数の個別の導体から構成することが可能である。この配置構成により、（上記の同軸接合部による）広帯域かつ（複数の導波器による）多層の接合部が提供される。

さらに本発明では、媒体の誘電特性を特定するセンサ装置が提案される。このセンサ装置は、上で説明したセンサと、このセンサに接続されている分析装置とを有する。

別の実施形態において、分析装置は上記のセンサの基板内に組み込まれている。

上記の分析装置は、基板に直接組み込むことができる。この場合に導波器は、センサ装置の一方の面に設けられており、分析装置は、センサ装置の反対側の面に設けられる。これにより、第１には、コンパクトなのセンサ装置を得ることができる。第２には、導波器を有するセンサ装置の面だけを媒体に接触接続させることができるため、分析装置が保護される。

別の実施形態において上記の分析装置は、ネットワークアナライザである。

ネットワークアナライザ（ＶＮＡ）は、電気的な測定対象体（ここでは媒体）の散乱パラメタ（Ｓパラメタ）を、すなわち反射および伝送を周波数に依存して測定するため、高周波技術において使用される。ネットワークアナライザは、検査対象の対象体（device under test）、すなわち媒体に接触接続している導波器に信号（進行波）を送信することができる。この信号の周波数、振幅および位相は既知である。媒体は、この信号の一部分（入力側における反射波）を反射し、この一部分は、反射測定において上記の出力信号になる。残りの、すなわち反射されない信号は、媒体において導波器に進行し、そこで変化され（例えば減衰、増幅または位相シフトされ）、導波器の出力側において伝送信号（出力側における反射波）としてネットワークアナライザによって再び受信される。上記の入力信号と出力信号との間の相違は、上で説明したように、媒体の誘電特性を特定するために使用される。

さらに本発明では、センサを用いて媒体の誘電特性を特定するための方法が提案される。このセンサは、少なくとも１つのスルーコンタクト部を有する基板と、この基板の上側表面に対して平坦に配置されている導波器とを有しており、この導波器は、上記の少なくとも１つのスルーコンタクト部を介して分析装置に接続可能である。上記の方法の第１のステップとして分析装置から入力信号を受信するステップを有している。つぎのステップでは、分析装置に出力信号を送出し、導波器と媒体とが接触接続する際の、上記の入力信号および上記の出力信号の特性は、この媒体の誘電特性を示す。

上で説明した本発明の特性、特徴および利点ならびこれらがどのようにして得られるかは、実施例の以下の説明と関連させれば一層明瞭かつはっきりと理解できる。これらの実施例を図面に関連して詳しく説明する。

媒体の誘電特性を特定するためのセンサの実施例の概略図である。 媒体の誘電特性を特定するためのセンサ装置の第１実施例の概略図である。 媒体の誘電特性を特定するためのセンサ装置の第２実施例の概略図である。 媒体の誘電特性を特定するためのセンサ装置の第３実施例の概略図である。 図１に記載したセンサ用または図２ないし４のうちの１つに記載したセンサ装置用の同軸接合部の実施例の概略平面図である。 図１に記載したセンサ用または図２ないし４のうちの１つに記載したセンサ装置用の同軸接合部の実施例の概略側面図である。 図１に記載したセンサ用または図２または３のうちの１つに記載したセンサ装置用の同軸接合部の実施例の概略平面図である。 媒体の誘電特性を特定する方法の実施例の概略流れ図である。

複数の図において、特に断らない限り、同じ要素または同じ機能の要素には同じ参照符号が付されている。

図１には、媒体の誘電特性を特定するためのセンサ１０の実施例が示されている。センサ１０は基板１１を有しており、導波器１２は、基板１１に対して平坦に基板１１の上側表面に配置されている。

基板１１に対して平坦であるとは、基板１１の上側表面上で平坦であることおよび基板１１と面一に平坦であることを意味し得る。このことを以下の複数の図においてさらに詳しく説明する。図１において導波器１２はわかりやすくするための基板１１から突出しているが、基板１１の上側表面は、導波器１２と共に実質的に平らになっている。

導波器は、スルーコンタクト部１３を介し、例えばネットワークアナライザである分析装置２０に接続することができる。ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）２０は、導波器１２に信号を送信するかまたは導波器１２に信号を結合し、導波器１２から信号を受信する。これらの信号に基づき、ＶＮＡ２０は、センサに接触接続している媒体の誘電特性を特定することができる。センサ１０を用いて反射測定を行うことができる。

伝送測定用装置の例は図２に示されている。このセンサ装置２００のセンサ１０は、上側の基板層２０１および下側の基板層２０２の２つの基板層を有している。導波器１２は、媒体２０５に、例えば容器２０６内の液体に接触接続している。容器２０６の大きさは、この容器が測定に影響を及ぼさないように選択することができる。

導波器１２は、多層の広帯域接合部２０３，２０４を介してＶＮＡ２０に接続されている。センサ１０は、プリント基板のような市販の基板上にコスト的に有利に作製することができる。ＶＮＡ２０は、図２に示したように下側の基板層２０２に組み込むことができる。択一的にはＶＮＡ２０を外部に配置することも可能である。しかしながら組み込み式の構造により、特にコンパクトなセンサ装置が得られる。

図３のセンサ装置３００において読み取れるように、ＶＮＡ２０は、離散の周波数を測定するため、２つのポート３０５，３０６を有するポートネットワークアナライザとすることが可能である。例えば媒体２０５内のアルコール、塩または糖含有物のわずかな濃度変化も特定できるようにするためには高い測定精度が望ましく、この高い測定精度は、ここで説明しているセンサおよびセンサ装置のここで説明している実施形態によって達成することができる。ポート３０５，３０６は、例えばケーブルである接続部３０７を介し、スルーコンタクト部を貫通して導波器１２に接続されている。

図３に示したように、センサ１０の頑強さを高めるため、例えばシートである保護層３０４をセンサ１０にわたって被着することができる。保護層３０４は、汚染または液体の浸入からセンサ１０を保護する。これにより、基板１１に液体がしみ込むことも阻止することできる。

この実施例では、上側の基板層３０１と下側の基板層３０２との間にアース層３０３が配置されている。このアース層により、下側の基板層３０２を貫通して接続部を案内しなくても上側の基板層３０１をアースに接続することができる。このことによっても簡単かつコンパクトなセンサ装置３００が得られる。

図４のセンサ装置４００では、導波器１２は、上側の基板層３０１の上側表面と面一に平坦に配置されている。したがって導波器１２の片方の端部は、上側表面で終わっている。導波器１２は、同軸接合部４０１を介してＶＮＡ２０の１つのポート４０２に接続されている。このポートは、ここでは１ポート・ネットワークアナライザである。

（ここで図示しない）別の導波器、例えばマイクロストリップ線路は、下側の基板層３０２の下面に設けることができる。マイクロストリップ線路は、同軸接合部４０１により、開放された導体に移行している。

図５にはこのような同軸接合部５００が示されている。この同軸接合部は、２つの導波器を互いに接続するため、または１つの導波器１２とＶＮＡ２０とを接続するために使用可能である。中央の導体５０１により、上側の基板層３０１から下側の基板層へのスルーコンタクト部が得られる。この中央の導体は、厚さｒ_i（内径）で絶縁層５０２によって包囲されている。絶縁層５０２は第２絶縁層５０３によって包囲されている。第２絶縁層５０３それ自体は、第３絶縁層５０５によって包囲されている。絶縁層５０２，５０３，５０５は、中央の導体５０１の周りに同軸に配置されている。第３絶縁層５０５には複数のスルーコンタクト部５０４が配置されており、これらのスルーコンタクト部により、上記のアース層との接続が行われる。

図６に示したように、スルーコンタクト部５０４は、アース層３０３までしか達していない。図６では上側の基板層３０１に第１導波器５００が配置されており、また下側の基板層３０２に第２導波器５００に配置されている。２つの導波器５００は、同軸接合部の中央の導体５０１を介して互いに接続されている。中央の導体５０１は、アース層３０３から、絶縁層６０１または空所によって電気的に絶縁されている。

例えば図３に示したように伝送測定用のセンサ装置３００では、導波器１２は、スルーコンタクト部を介してＶＮＡ２０に接続されている。図７には、このようなセンサ用の同軸接合部７００が示されている。図示した２つの同軸接合部５００は、マイクロストリップ線路７０１または別の導波器によって接続されている。同軸接合部の結合長ｌ_kは、すなわちマイクロストリップ線路の長さは、最適な導波を達成するため、測定周波数および検査対象の媒体２０５に依存して選択される。上記の半径ｒ_iおよびｒ_aの選択は、測定の感度に影響を及ぼし得る。

図８には、媒体２０５の誘電特性を特定するための方法８００の概略流れ図が示されている。ここでは第１ステップ８０１において、図１ないしは７に説明したようなセンサ１０の導波器１２は、分析装置２０から入力信号を受信する。第２ステップ８０２において、導波器１２は、分析装置２０に出力信号を送出する。導波器１２と媒体２０５とが接触接続する場合、上記の入力信号および出力信号の特性は、媒体２０５の誘電特性を示す。これらは、上記のように引き続いて特定して使用することができる。

すでに述べたように、ここで説明しているセンサおよび対応するセンサ装置は、公知のセンサに比べて作製にかかるコストが少ない。これらのセンサは、種々異なる測定周囲環境に使用することができ、また容易に組み込むことが可能である。測定の感度は、同軸接合部の半径ｒ_iおよびｒ_aを、相応に選択することによって調整することができる。さらに平坦な構造によってコンパクトな測定装置を実現することができる。なぜならばセンサおよび分析装置は、１つのユニットを構成し得るからである。付加的にはより広い測定範囲および一層改善された測定精度が実現される。

有利な実施形態によって本発明を詳しく説明したが、本発明はここに示した実施例に限定されることはなく、当業者は、本発明の権利保護範囲を逸脱することなく別の複数の変化形態を導出することができる。

Claims (15)

1. 媒体（２０５）の誘電特性を特定するためのセンサ（１０）において、
   当該センサ（１０）は、
   少なくとも１つのスルーコンタクト部（１３）を備えた基板（１１）と、
   当該基板（１１）の上側表面に対して平坦となるように配置されている導波器（１２）とを有しており、
   前記導波器（１２）は、前記少なくとも１つのスルーコンタクト部（１３）を介して分析装置（２０）に接続可能であり、
   前記導波器（１２）は、前記分析装置（２０）から入力信号を受信して、当該分析装置（２０）に出力信号を送出するように構成されており、
   前記導波器（１２）と媒体（２０５）とが接触接続する際の、前記入力信号および前記出力信号の特性は、当該媒体（２０５）の誘電特性を示している、
   ことを特徴とするセンサ（１０）
2. 前記導波器（１２）は、前記基板（１１）の前記上側表面上に平坦となるように配置されている、
   請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記導波器（１２）は、ストリップ線路である、
   請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記基板（１１）は、少なくとも２つのスルーコンタクト部（３０７）を有しており、
   前記導波器（１２）は、前記少なくとも２つのスルーコンタクト部（３０７）を介して前記分析装置の入力端子および出力端子に接続可能である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
5. 前記導波器（１２）の一方の端部は、前記基板（１１）と平坦に配置されている、
   請求項１に記載のセンサ（１０）。
6. 前記導波器（１２）は、開放導体として構成されている、
   請求項５に記載のセンサ（１０）。
7. 前記基板（１１）は、誘電体材料を有する、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
8. 前記基板（１１）の前記上側表面にわたって保護層（３０４）が配置されている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
9. 前記基板（１１）は、上側基板層（２０１，３０１）および下側基板層（２０２，３０２）を有する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
10. 前記上側基板層（３０１）と前記下側基板層（３０２）との間にアース層（３０３）が配置されている、
    請求項９に記載のセンサ（１０）。
11. 前記導波器（１２）は、同軸接合部（２０３，２０４）を介して、前記下側基板層（２０２，３０２）上の別の導波器に接続されている、
    請求項９から１０までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
12. 媒体（２０５）の誘電特性を特定するためのセンサ装置（１００）において、
    該センサ装置（１００）は、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載のセンサ（１０）と、
    当該センサ（１０）に接続されている分析装置（２０）とを有する、
    ことを特徴とするセンサ装置（１００）。
13. 前記分析装置（２０）は、前記センサ（１０）の前記基板（２０２）内に組み込まれている、
    請求項１２に記載のセンサ装置（１００）。
14. 前記分析装置（２０）は、ネットワークアナライザである、
    請求項１２または１３に記載のセンサ装置（１００）。
15. センサ（１０）を用いて媒体（２０５）の誘電特性を特定するための方法において、
    前記センサ（１０）は、少なくとも１つのスルーコンタクト部（１３）を備えたＳ基板（１１）と、当該基板（１１）の上側表面に対して平坦に配置されている導波器（１２）とを有しており、前記導波器（１２）は、前記少なくとも１つのスルーコンタクト部（１３）を介して分析装置（２０）に接続可能であり、
    前記方法は、
    前記分析装置（２０）から入力信号を受信するステップと、
    当該分析装置（２０）に出力信号を送出するステップとを有しており、
    前記導波器（１２）と媒体（２０５）とが接触接続する際の、前記入力信号および前記出力信号の特性は、当該媒体（２０５）の誘電特性を示している、
    ことを特徴とする方法。

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