基于微波腔体谐振器的液态媒质复介电常数测量和无线湿度传感研究

作     者：付灵龙 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄杰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：重入式腔体谐振器 液态媒质 复介电常数测量 湿度传感器 无线传感 

摘      要：微波检测技术因其检测速度快、灵敏高、免标记等优点而备受关注,现已广泛应用于医学、农业和电气领域。依托各种微波传感器,以介电微扰理论为基础,微波检测技术常常用于介电目标对象浓度、种类和品质的传感检测与鉴定。随着科学技术的不断发展,应用环境的日趋复杂,各领域对传感器检测精度和功能性均提出了更高的要求,传统微波传感器难以满足日益增长的应用需求。因此,研究性能优异、功能多样化的微波传感器是目前的重点研究方向。在此背景下,本文以衬底集成波导(Substrate Integrated Waveguide,简称:SIW)重入式腔体谐振器(Re-entrant cavity resonator,简称:RECR)为基本结构,利用其内部诱导电场高度集中的谐振特性,结合其紧凑的结构优势,设计了两款具有优越传感性能的小型化微波介电传感器。本工作以腔体微扰理论为指导,结合基础理论研究、传感特性仿真和实际性能测试等方法,开展高传感性能的传感器研究,具体成果如下:(1)适用于液态媒质复介电常数测量的SIW-RECR差分介电传感器以一对纵向堆叠的SIW-RECR为基本结构,结合微流控芯片,设计了一款具有高去耦、高灵敏度性能、能抑制环境温度交叉敏感性的微波差分介电传感器,以满足液态媒质复介电常数高精度测量的应用需求。为了将微波信号同时馈入纵向堆叠的两谐振器内部,设计了一种“微带线-带状线-SIW馈电结构;其次以SIW-RECR内部电场分布规律为指导,利用微机械加工技术,制作了加载液态媒质的微流控芯片,并将其嵌入RECR强电场间隙区域;利用标定样品已知复介电常数与传感器谐振频移、品质因数的依赖关系,建立了传感器液体复介电常数反演预测模型,并利用各类化学试剂,验证了传感器复介电常数反演模型的预测精度;最后,对传感器进行温度效应实验,验证了该差分传感器具备抑制温度效应的能力。实验结果表明,所设计的传感器具有极优秀的去耦性能和传感灵敏度,其复介电常数实部与介电损耗角的测量误差低于4.87%和-8.39%。(2)正交双模缝隙加载的SIW-RECR无线湿度传感器将SIW四电容柱(Four-capacitance-post,简称:FCP)RECR与两对相互正交的缝隙天线结合,设计了一款适用于以无线形式检测相对湿度(10%RH～90%RH)的传感器。首先,以SIW-FCP-RECR内部高阶模式1和模式2的电场分布特性为基础,在传感器上表面蚀刻两对相互正交的缝隙天线。旋转发射天线,改变其与缝隙天线对的相对位置关系,可获取高阶模式1或模式2的传输响应曲线。传感器顶面刻蚀阵列金属栅网,增强腔体谐振器中湿空气的流动性,同时引入部分空气填充衬底层,以富集传感器传感区域的水分子,促进湿空气与传感区域极化作用,实现增强传感器的湿度传感性能和增强传感器响应、恢复特性的目的;谐振器的传感区域沉积湿敏材料,以吸附更多水珠,从而增强传感器的传感灵敏度。最后,搭建无线湿度传感监测装置,将无线湿度传感器置入潮湿环境,利用传感器的高阶模式1和模式2分别进行湿度监测。实验结果表明,湿敏材料沉积在传感区域后,传感器高阶模式1和模式2谐振频率偏移的绝对灵敏度为165k Hz/%RH和161k Hz/%RH,幅值偏移的灵敏度为18.5md B/%RH和14.8md B/%RH。