TWI447384B - 天線型感測器 - Google Patents

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Powen Hsu
Fu Chieh Chang
Jerome Shiu
You Zheng Yin
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Description

天線型感測器
本發明係關於一種感測器，特別是有關於一種天線型感測器。
以微波架構用來作為感測器，至目前為止已發展有十幾年的時間，且已證明可利用該微波架構之感測器來感測待測物的介電係數與導電係數等的變化。
但是，為了縮小天線之尺寸，使天線可感測到較小的待測物之特性，必須將天線之操作頻率設計在較高的頻段，卻也帶來不易於激發天線的困擾。
再者，目前此類型的感測器無法進行定量分析，為了進行定量分析，則須在天線上製作微流道，或利用聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS)等物質隔出感測區域。但已成型的天線上其表面並不平整，故感測區域的選擇與加工製作並不容易。
因此，如何解決上述習知技術的缺失，遂成為本領域技術人員的重要課題。
為解決前述習知技術之種種問題，本發明提供一種天線型感測器，可藉由超穎材料建構平面天線以及在屏蔽層上形成開口，使平面天線達到縮小化且易於激發，並使固定量的電場通過開口以定量分析待測物之特性。
本發明係提出一種天線型感測器，可用於感測待測物 之特性，如介電係數與損耗正切。天線型感測器包含基板、平面天線以及屏蔽層。基板具有相對之第一面與第二面。平面天線設於基板之第一面，係由超穎材料所構成，用以輻射產生電場。屏蔽層設於基板之第二面，係於對應平面天線之位置形成有開口以外露基板之第二面的一部分，使固定量的電場通過開口以感測待測物。
上述之超穎材料係由複合式左右手傳輸線(CRLH-TL)之右手材料結構與左手材料結構所構成，用以縮小該平面天線之尺寸。平面天線具有饋入部、指叉電容、共振部與導通孔，右手材料結構包含饋入部與共振部，左手材料結構包含指叉電容與導通孔。
上述之饋入部係用以饋入電場，共振部之尺寸大小係用以調整平面天線之共振頻率，且共振頻率可為1.4GHz至1.8GHz。導通孔係用以貫穿基板之第一面與第二面，並電性連接共振部與屏蔽層，使平面天線之電流流入屏蔽層。
上述之屏蔽層為金屬接地層，係用以接地而屏蔽電場。屏蔽層之開口係作為感測區域，且開口之尺寸係相對於平面天線之尺寸。待測物係為生物材料或非生物材料，並放置於屏蔽層之開口處。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
請同時參閱第1A圖與第1B圖，係分別繪示本發明之天線型感測器100的俯視示意圖及仰視示意圖。
如圖所示，天線型感測器100可用於感測待測物(圖中未繪示)之特性，如介電係數與損耗正切等。天線型感測器100包含基板110、平面天線120以及屏蔽層130。
基板110可為電路板、載板或承載件等，並具有相對之第一面111與第二面112。
平面天線120位於基板110之第一面111，係由超穎材料所構成，用以輻射產生電場。超穎材料可用以縮小平面天線之尺寸，係由複合式左右手傳輸線(Composite Right/Left Handed Transmission Line；CRLH-TL)之右手材料結構125與左手材料結構126所構成，但不限於此種傳輸線或材料結構，該超穎材料亦可由其他型態的傳輸線或材料結構所構成。
上述之平面天線120可具有饋入部121、指叉電容(InterDigital Capacitors；IDC)122、共振部123與導通孔124，但不限於此種型態或結構，該平面天線120亦可為其他型態或結構的天線。右手材料結構125可包含饋入部121與共振部123，左手材料結構126可包含指叉電容122與導通孔124。
上述之饋入部121係用以饋入電場，共振部123之尺寸大小係用以調整平面天線120之共振頻率，且共振頻率可為1.4GHz至1.8GHz，但不限於此頻寬或頻率，該共振頻率亦可為其他的頻寬或頻率。
上述之導通孔124係用以貫穿基板110之第一面111與第二面112，並電性連接平面天線120之共振部123與屏蔽層130，使平面天線120之電流流入屏蔽層130。該導通孔124亦可為貫穿孔，且貫穿孔內形成有導電層或導電材料。
屏蔽層130設於基板110之第二面112，係於對應平面天線120之位置形成有開口131以外露基板110之第二面112的一部分，使固定量的電場通過開口131以感測待測物。
上述之屏蔽層130可為金屬接地層，係用以接地而屏蔽電場。屏蔽層130之開口131可為缺口、開孔或槽孔等，並作為天線型感測器100之感測區域。同時，因開口131之尺寸大小會影響平面天線120對待測物之介電系數的靈敏度，在設計開口131時，會相對於平面天線120之尺寸大小而調整開口131之尺寸大小。
請參閱第2圖，係繪示本發明之天線型感測器100於感測待測物150時的運作示意圖。
如圖所示，待測物150係放置於屏蔽層130之開口131處。待測物150可為生物材料或非生物材料，如水、酒精、洋菜膠、瘦肉、肥肉、食品之油脂或人體之皮膚等。
當感測待測物150時，先將天線型感測器100外接量測儀器(圖中未繪示)，例如網路分析儀。接著，自平面天線120之饋入部121饋入電場140，並由平面天線120往周圍輻射產生電場140，其中有部分的電場140會輻射至 基板110之第二面112，但電場140會受到屏蔽層130所屏蔽而加以阻隔，僅有固定量的電場140會通過屏蔽層130之開口131至待測物150上，藉此量測儀器即可獲得待測物150之感測訊號，並依據感測訊號分析出待測物150之介電係數與損耗正切等特性。
此外，本發明所感測之待測物150通常為非磁性物質，故待測物150之介電係數不會對磁場141造成影響。但是，若待測物150為磁性物質時，則待測物150之介電係數會對磁場141造成影響，進而需將磁場141所受影響納入考量。
請參閱第3A圖，係繪示本發明之天線型感測器於感測出不同的介電係數(εr )時，對應於共振頻率與回波損耗(return loss；|S11|)的變化示意圖。
如圖所示，當介電係數(εr )變高時，如εr =1變為εr =21，則共振頻率與回波損耗均會變低。反之，當介電係數(εr )變低時，如εr =81變為εr =21，則共振頻率與回波損耗均會變高。
要說明的是，介電係數(εr )愈高，表示待測物之含水量愈高，但油質含量愈低。相反而言，介電係數(εr )愈低，表示待測物之含水量愈低，但油質含量愈高。
請同時參閱第3B圖，係繪示本發明之天線型感測器於感測出不同的損耗正切(loss tangent；tag δ)時，對應於共振頻率與回波損耗的變化示意圖。
如圖所示，當損耗正切(tag δ)變高時，如tag δ=0.05 變為tag δ=0.35，則共振頻率不變，但回波損耗變小。反之，當損耗正切(tag δ)變低時，如tag δ=0.35變為tag δ=0.25，則共振頻率亦不變，但回波損耗變大。
要說明的是，損耗正切(tag δ)愈高，表示待測物所吸收之電場的能量愈多。相反而言，損耗正切(tag δ)愈低，表示待測物所吸收之電場的能量愈低。
綜上所述，本發明之天線型感測器至少具有下列的功效：
(1)利用超穎材料(如複合式左右手傳輸線)建構平面天線，使平面天線達到縮小化，以縮小天線型感測器之體積。
(2)在屏蔽層上形成開口，使固定量的電場通過開口以感測待測物，不必在平面天線上做其他的加工(如微流道)，即可達到定量分析與精準判斷待測物之特性。
(3)平面天線的操作頻率(即共振頻率)可位於1.4GHz至1.8GHz，其遠低於一般無線通訊裝置(如手機)之天線的操作頻率為10GHz以上。當天線型感測器應用於無線通訊裝置時，本發明之平面天線可較一般無線通訊裝置之天線易於激發。
(4)天線型感測器操作在通訊頻率之使用範圍內，於縮小化後有利於與各種無線通訊裝置作結合。
(5)天線型感測器可應用於無線通訊業、美容業或食品安全產業等領域，用以感測人體皮膚之含水量或食品之油脂含量等特性。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧天線型感測器
110‧‧‧基板
111‧‧‧第一面
112‧‧‧第二面
120‧‧‧平面天線
121‧‧‧饋入部
122‧‧‧指叉電容
123‧‧‧共振部
124‧‧‧導通孔
125‧‧‧右手材料結構
126‧‧‧左手材料結構
130‧‧‧屏蔽層
131‧‧‧開口
140‧‧‧電場
141‧‧‧磁場
150‧‧‧待測物
第1A圖係繪示本發明之天線型感測器的俯視示意圖。
第1B圖係繪示本發明之天線型感測器的仰視示意圖。
第2圖係繪示本發明之天線型感測器於感測待測物時的運作示意圖。
第3A圖係繪示本發明之天線型感測器於感測出不同的介電係數時，對應於共振頻率與回波損耗的變化示意圖。
第3B圖係繪示本發明之天線型感測器於感測出不同的損耗正切時，對應於共振頻率與回波損耗的變化示意圖。
100‧‧‧天線型感測器
110‧‧‧基板
111‧‧‧第一面
112‧‧‧第二面
120‧‧‧平面天線
130‧‧‧屏蔽層
131‧‧‧開口
140‧‧‧電場
141‧‧‧磁場
150‧‧‧待測物

Claims (10)

  1. 一種天線型感測器，其包含：基板，具有相對之第一面與第二面；平面天線，設於該基板之第一面，係由超穎材料所構成，用以輻射產生電場；以及屏蔽層，設於該基板之第二面，係於對應該平面天線之位置形成有開口以外露該基板之第二面的一部分，使固定量的電場通過該開口以感測待測物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之天線型感測器，其中，該超穎材料係由複合式左右手傳輸線(CRLH-TL)之右手材料結構與左手材料結構所構成，用以縮小該平面天線之尺寸。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之天線型感測器，其中，該平面天線具有饋入部、指叉電容、共振部與導通孔，該右手材料結構包含該饋入部與該共振部，該左手材料結構包含該指叉電容與該導通孔。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之天線型感測器，其中，該饋入部係用以饋入該電場，該共振部之尺寸大小係用以調整該平面天線之共振頻率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之天線型感測器，其中，該平面天線之共振頻率係為1.4GHz至1.8GHz。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之天線型感測器，其中，該導通孔係用以貫穿該基板之第一面與第二面，並電性連接該共振部與該屏蔽層，使該平面天線之電流流 入該屏蔽層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之天線型感測器，其中，該屏蔽層為金屬接地層，係用以接地而屏蔽該電場。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之天線型感測器，其中，該屏蔽層之開口係作為感測區域，且該開口之尺寸係相對於該天線之尺寸。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之天線型感測器，其中，該待測物係為生物材料或非生物材料，並放置於該屏蔽層之開口處。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之天線型感測器，係用於感測該待測物之介電係數與損耗正切。
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