TWI603079B - 非接觸式平面微波量測元件及其量測方法 - Google Patents

Description

非接觸式平面微波量測元件及其量測方法

本發明係關於一種平面微波量測元件，特別關於一種非接觸式平面微波量測元件及其量測方法。

在醫學和工業上，測量材料的介電常數和結構組成是重要的感測工作，其可用於監測材料發生物理或化學變化的屬性。材料本身具有不同的介電常數等電學特性。受測試材料(Material under the test,MUT)的性質，如材料組成、溫度、損耗和濕度或水含量等，可藉由介電常數特性量測獲取有價值的資訊。

平面微波感測器所提供的介電常數監測能達到足夠的穿透深度，準確而即時量測介電常數。並且結合微波感測技術的特色，使得感測端具有更高的使用自由度，不受感測空間、待測物幾何形狀所限制，同時兼具微波非侵入式偵測的特色。

平面式微波感測可用於確定多層介電結構中的介電常數和厚度。然而，在實作中，影響平面共振感測之準確性的一個重要因素為感測器與待測物之間的空氣間隙(Air gap)。平面感測器是使用簡單的準備程序將感應器與待測物作貼合。然而，在現實的感測接觸區與待測物之間是無法達到完全的平坦與緊密的貼合，例如是肉眼無法判別之不均勻表面所造成微小的空氣間隙或氣泡存在於貼合平面之中。

因此，如何提供一種非接觸式平面微波量測元件及其量測方法，能因應空氣間隙所造成的影響而提供更精確的參數量測，實為當前重要課題之一。

本發明係提供一種非接觸式平面微波量測元件及其量測方法，其能因應空氣間隙所造成的影響，甚至能得到空氣間隙的值，而提供更精確的參數量測，進而提升應用範圍與效能。

依據本發明之一種非接觸式平面微波量測元件包含一基板、二饋入端以及一導線。基板具有相對設置之一第一表面及一第二表面。二饋入端分別設置於基板之二端。導線設置於第一表面上並電性連接該等饋入端。第二表面具有三諧振元件，該等諧振元件之該等諧振電流長度係不等長。

在一實施例中，第二表面為一導電面，該等諧振元件係藉由對該導電面蝕刻而形成。

在一實施例中，各該等諧振元件係為環狀。

在一實施例中，各該等諧振元件係為一方形或一圓形，且具有一開口。

依據本發明之一種如上所述之非接觸式平面微波量測元件之量測方法包含：藉由非接觸式平面微波量測元件進行一第一次量測以得到該等諧振元件所對應之三個初始諧振頻率；將非接觸式平面微波量測元件放置於一待測物之一表面上；藉由非接觸式平面微波量測元件進行一第二次量測以得到該等諧振元件所對應之三個反應諧振頻率；依據該等初始諧振頻率、該等反應諧振頻率、該待測物之二參數以及一間隙參數建立多個方程式，該間隙參數係對應非接觸式平面微波量測元件與待測物之表面之間的一間隙；以及求解該等方程式以得到該等參數與該間隙參數之至少其中之一。

在一實施例中，該等參數係包含待測物之介電常數、待測物之一厚度或待測物與非接觸式平面微波量測元件之間之一耗損角切線值(loss tangent)。

在一實施例中，量測方法更包含：將各反應諧振頻率的負二次方與其對應之諧振電流長度的平方視為一線性關係，且線性關係之斜率係依據間隙之不同而變化。

如上所述，本發明之非接觸式平面微波量測元件之量測中， 除了將待測物之二參數(例如介電常數與厚度)視為量測參數之外，亦將微波量測元件與待測物之間的間隙視為另外的量測參數，並且在基板上設置具有不等長之諧振電流長度之三諧振元件，以找出該等諧振元件之諧振頻率與待測物之上述三個參數之間的關係，進而計算出該等參數。藉此，本發明之非接觸式平面微波量測元件及其量測方法係能因應空氣間隙所造成的影響，甚至能得到空氣間隙的值，而提供更精確的參數量測，進而提升應用範圍與效能。

1‧‧‧非接觸式平面微波量測元件

11‧‧‧基板

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

12、13‧‧‧饋入端

14‧‧‧導線

15、16、17‧‧‧諧振元件

20‧‧‧待測物

201‧‧‧表面

d‧‧‧厚度

D‧‧‧間隙

O‧‧‧開口

S01~S05‧‧‧步驟

圖1A為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件的俯視示意圖。

圖1B為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件用於量測一待測物的側視示意圖。

圖2為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件之量測方法的流程示意圖。

圖3係為非接觸式平面微波量測元件進行第一次量測與第二次量測所得到之初始諧振頻率及反應諧振頻率的示意圖。

圖4係為非接觸式平面微波量測元件之諧振頻率的負二次方(f_r ^-2)在不同諧振電流長度的平方與不同間隙大小的變化示意圖。

圖5係為非接觸式平面微波量測元件之f_r ^-2函數於有空氣間隙且在不同介電常數之待測物的狀況下的變化示意圖。

圖6為不同厚度的待測物之等效介電常數與空氣間隙的關係示意圖。

圖7A及圖7B分別為本實施例之平面微波量測元件與待測物分別於z平面與w平面的對應示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件及其量測方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1A為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件的俯視示意圖，圖1B為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件用於量測一待測物的側視示意圖。

如圖1A及圖1B所示，本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件1係利用平面共振腔來進行待測物的特性量測，並包含一基板11、二饋入端12、13以及一導線14。

基板11例如但不限於為玻纖環氧(FR4)基板，並具有相對設置之一第一表面111及一第二表面112。饋入端12、13分別設置於基板11之二端。導線14為一微帶線(Microstrip Line)，其設置於第一表面111上並電性連接該等饋入端12、13。其中，第二表面112上具有三諧振元件15、16、17，且諧振元件15、16、17之諧振電流長度係不等長，其關係如下所示：諧振元件15之諧振電流長度>諧振元件16之諧振電流長度>諧振元件17之諧振電流長度。其中，當電力饋入該等饋入端12、13與導線14，可使諧振元件15、16、17分別產生共振，以得到其諧振頻率。

在一實施例中，第二表面112為一導電面，且該等諧振元件15、16、17係藉由對導電面蝕刻而形成。在一實施例中，各諧振元件15、16、17係為環狀，而在其他實施例中，各諧振元件15、16、17可為其他幾何形狀，例如螺旋形，各諧振元件15、16、17亦可為不同形狀。在一實施例中，各諧振元件15、16、17係為一方形或一圓形，且具有一開口O。於此，諧振元件15、16、17的功能如同一個單一複合式互補開口環形震盪器(Single Compound Complementary Split-ring,SC-CSRR)之複合三重環。

圖2為本發明較佳實施例之一種非接觸式平面微波量測元件之量測方法的流程示意圖。請參照圖1A、1B與圖2以說明本實施例之非接觸式平面微波量測元件1及其量測方法。

首先，步驟S01為藉由非接觸式平面微波量測元件1進行一第一次量測以得到該等諧振元件15、16、17所對應之三個初始諧振頻率。在步驟S01的第一次量測中係移除待測物20，亦即由非接觸式平面微波量測元件1係在沒有待測物的環境中藉由將電力饋入饋入端12、13與導線14，而得到該等諧振元件15、16、17所對應之三個初始諧振頻率。

步驟S02係為將非接觸式平面微波量測元件1放置於一待測物20之一表面201上。步驟S02係為非接觸式平面微波量測元件1進行一第二次量測之準備步驟。在步驟S02中，非接觸式平面微波量測元件1可以是僅僅放置於待測物20之表面201上，而不需實施任何關於縮小非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之間的間隙之作業，這是因為在本實施例中已將上述間隙視為一量測參數。藉此，本實施例之非接觸式平面微波量測元件之量測方法可大幅減少量測時間與成本並可提升量測效能。

步驟S03係為藉由非接觸式平面微波量測元件1進行一第二次量測以得到該等諧振元件15、16、17所對應之三個反應諧振頻率。由於第二次量測是在非接觸式平面微波量測元件1接觸待測物20的情況下進行的，因此所得到之三個反應諧振頻率係與之前得到之三個初始諧振頻率不相同，其關係可參照圖3，圖3係為非接觸式平面微波量測元件1進行第一次量測與第二次量測所得到之初始諧振頻率及反應諧振頻率的示意圖。其中，f_Lo、f_Mo、f_Ho分別代表諧振元件15、16、17之初始諧振頻率，f_L,MUT、f_M,MUT、f_H,MUT分別代表諧振元件15、16、17之反應諧振頻率。由圖3可知，在加入待測物的環境中，第二次量測所得到之反應諧振頻率均少於初始諧振頻率。

步驟S04係為依據該等初始諧振頻率、該等反應諧振頻率、待測物之二參數以及一間隙參數建立多個方程式，間隙參數係對應非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之表面201之間的一間隙D，以及步驟S05為求解該等方程式以得到該等參數與間隙參數之至少其中之一。上述二參數例如可包含待測物20之介電常數、待測物20之一厚度d、大小與位置，或待測物20與非接觸式平面微波量測元件1之間之一耗損角切線值(loss tangent)。

首先考慮當非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之間存在空氣間隙時之頻率響應結果。圖4表示非接觸式平面微波量測元件1之共振腔諧振頻率的負二次方(f_r ^-2)在不同諧振電流長度的平方與不同間隙大小的變化示意圖。其中，粗實線代表的是非接觸式平面微波量測元件1在沒有待測物的環境下進行量測所得到的頻率響應，虛線代表的是非接觸 式平面微波量測元件1在其與待測物之間隙為零所得到的頻率響應，細實線代表的是非接觸式平面微波量測元件1在其與待測物之間隙為0.1mm的情況下所得到的頻率響應。粗實線與虛線代表的是兩立極端條件，而細實線代表的是最可能發生的條件，由圖4可知，細實線的斜率係介於粗實線與虛線的斜率之間。換言之，細實線所對應之三個諧振元件15、16、17之反應諧振頻率，相對於虛線所對應的諧振頻率皆有減少的情況，所減少的量係以△f_r,L ^-2、△f_r,M ^-2、△f_r,H ^-2來表示。

當考慮非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之間有一空氣間隙時，其頻率f_r ^-2函數仍是一近直線函數，但其斜率會隨著間隙的大小而改變。而非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之空氣間隙漸漸拉大時，頻率f_r ^-2函數斜率下降，往無待測物時之f_r ^-2函數靠近。而當無待測物時，頻率f_r ^-2函數的斜率為最低。另外，在存在空氣間隙的情況時，諧振元件之諧振電流長度的平方之f_r ^-2頻率響應仍然表現出近線性關係。所述線性關係可以定義一響應函數f_Air(Gap,ε _r)來說明空氣間隙影響，這是獨立於初始諧振頻率，作為校正描述的頻率變化(△f_r ^-2)之修正項。

圖5則表示非接觸式平面微波量測元件1之f_r ^-2函數於有空氣間隙且在不同介電常數之待測物的狀況下的變化示意圖。

在理想條件上的頻率f_r ^-2函數，會較高於考慮有空氣間隙影響時來的頻率函數。因此，實際整體f_r ^-2函數同時考慮待測物之介電常數、厚度與空氣間隙影響時，可以表示成下式(1)~(3)。其為原理想方程式加上一減數校正項：f_Air(Gap,ε _r)(f_Lo ^-2),、f_Air(Gap,ε _r)(f_Mo ^-2)、f_Air(Gap,ε _r)(f_Ho ^-2)。其中Gap代表空氣間隙，ε _r代表待測物的介電常數。因為線性關係，此校正項係由乘上初始頻率所得到，用於原理想方程式。方程式中S₁(d)、S₂(d)與S₃(d)為線性方程中之斜率，為一相依於待測物厚度的函數。

f_L ^-2=(S₁(d))(ε _r-1)+f_Lo ^-2-f_Air(Gap,ε _r)(f_Lo ^-2) (1)

f_M ^-2=(S₂(d))(ε _r-1)+f_Mo ^-2-f_Air(Gap,ε _r)(f_Mo-²) (2)

f_H ^-2=(S₃(d))(ε _r-1)+f_Ho ^-2-f_Air(Gap,ε _r)(f_Ho-²) (3)

變量f_L，f_M和f_H代表存在待測物情況下的三個諧振頻率，而f_Lo，f_Mo和f_Ho代表無存在待測物情況下的三個諧振頻率。

依(1)~(3)線性方程中的線性特性，如初始諧振頻率f_Lo，f_Mo和f_Ho符合一常數比例關係：A=f_Ho ^-2/f_Mo ^-2,B=f_Lo ^-2/f_Mo ^-2，則待測物之厚度d可以如下之方程式(4)~(5)等三組頻率求得，且同時忽略空氣所造成間隙所造成的變化影響。

(f_L ^-2-Bf_M ^-2)/(f_H ^-2-Af_M ^-2)=(S₁(d)-BS₂(d))/(S₃(d)-AS₂(d)) (4)

(Af_M ^-2-f_H ^-2)/(AS₂(d)-S₃(d))+1=ε_r (5)

另外，可以透過分析諧振頻率的變化來檢測整體共振結構的等效介電常數(ε _eff )。其中，空氣間隙D可以假定為額外附加於待測物構成的附加層，並且對諧振頻率影響進行評估。而合併的結果，待測物的厚度d和介電常數及空氣間隙D的諧振頻率，可以通過整體的等效介電常數ε _eff 來進行校正。

如圖6所示，其不同厚度的待測物之等效介電常數ε _eff 與空氣間隙D的關係示意圖。利用上述得到的待測物之厚度d和介電常數ε_r，再參照以下方程式及圖6之等效介電常數與空氣間隙的關係與圖7A及圖7B，可以求得空氣間隙D。

如圖7A及圖7B所示，於上述方程式中，K(k₀)、K(k₀’)、K(k_e1)、K(k_e1’)、K(k_e2)、K(k_e2’)、K(k_es)、K(k_es’)可以v₀、v_e、v_e1、v_e2、v_e3、u₀、u_e、u_e1、u_e2、u_e3來表示，其關係如下所示：

其中，C=εA/d=ε(2v/2u)，K(k_i)及K(k_i’)是以之第一類的完整橢圓積分，i是層別代號，非接觸式平面微波量測元件1與待測物20之外部空氣的i為0，基板20是第1層，空氣間隙D是第2層，待測物20是第3層，w是導線14的蝕刻寬度，ε_substrate是基板20的介電常數，v₀、v_e、v_e1、v_e2、v_e3分別對應於圖7B的厚度，而u₀、u_e、u_e1、u_e2、u_e3分別對應於圖7B的寬度，h_i是厚度。由上述的計算式及圖式中，本技術領域技術人員可了解其物理意義，並了解如何利用上述得到的待測物之厚度d和介電常數ε_r，再參照上述方程式及圖6之等效介電常數與空氣間隙的關係與圖7A及圖7B，可求得空氣間隙D。

綜上所述，本發明之非接觸式平面微波量測元件之量測中，除了將待測物之多個參數(例如介電常數與厚度)視為量測參數之外，亦將微波量測元件與待測物之間的間隙視為另外的量測參數，並且在基板上設置具有不等長之諧振電流長度之三諧振元件，以找出該等諧振元件之諧振頻率與待測物之上述三個參數之間的關係，進而計算出該等參數。藉此， 本發明之非接觸式平面微波量測元件及其量測方法係能因應空氣間隙所造成的影響，甚至能得到空氣間隙的值，而提供更精確的參數量測，進而提升應用範圍與效能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧非接觸式平面微波量測元件

11‧‧‧基板

111‧‧‧第一表面

12、13‧‧‧饋入端

14‧‧‧導線

15、16、17‧‧‧諧振元件

O‧‧‧開口

Claims (7)

1. 一種非接觸式平面微波量測元件，包含：一基板，具有相對設置之一第一表面及一第二表面；二饋入端，分別設置於該基板之二端；以及一導線，設置於該第一表面上並電性連接該等饋入端，其中，該第二表面具有三諧振元件，該等諧振元件之該等諧振電流長度係不等長。
2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式平面微波量測元件，其中該第二表面為一導電面，該等諧振元件係藉由對該導電面蝕刻而形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式平面微波量測元件，其中各該等諧振元件為環狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式平面微波量測元件，其中各該等諧振元件為一方形或一圓形，且具有一開口。
5. 一種如申請專利範圍第1項所述之非接觸式平面微波量測元件之量測方法，包含：藉由該非接觸式平面微波量測元件進行一第一次量測以得到該等諧振元件所對應之三個初始諧振頻率；將該非接觸式平面微波量測元件放置於一待測物之一表面上；藉由該非接觸式平面微波量測元件進行一第二次量測以得到該等諧振元件所對應之三個反應諧振頻率；依據該等初始諧振頻率、該等反應諧振頻率、該待測物之二參數以及一間隙參數建立多個方程式，該間隙參數係對應該非接觸式平面微波量測元件與該待測物之該表面之間的一間隙；以及求解該等方程式以得到該等參數與該間隙參數之至少其中之一。
6. 如申請專利範圍第5項所述之量測方法，其中該等參數係包含該待測物之介電常數、該待測物之一厚度或該待測物與該非接觸式平面微波量測元件之間之一耗損角切線值(loss tangent)。
7. 如申請專利範圍第5項所述之量測方法，更包含：將各該等反應諧振頻率的負二次方與其對應之該諧振電流長度的平方 視為一線性關係，且該線性關係之斜率係依據該間隙之不同而變化。