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基于SIW重入式腔体谐振器的微波湿度传感器研究

基于SIW重入式腔体谐振器的微波湿度传感器研究

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作者：贾存杰西南大学

学位级别：硕士

在智能制造系统中,传感器是感知、获取加工环境状态及变化的关键部件,是智能制造的关键环节。其中相对湿度(Relative humidity,简称:RH)作为评估环境状态的重要指标之一。在农作物生产、机械加工、精密仪器制造和生物医疗等领域中实现... 详细信息

在智能制造系统中,传感器是感知、获取加工环境状态及变化的关键部件,是智能制造的关键环节。其中相对湿度(Relative humidity,简称:RH)作为评估环境状态的重要指标之一。在农作物生产、机械加工、精密仪器制造和生物医疗等领域中实现对RH的精准检测和控制有着重要意义。凭借高灵敏度、多参数表征、穿透能力强、检测速度快、集成度高等特性,微波传感器在RH传感检测领域体现出独特的优势。研制性能优异,功能多样化的微波湿度传感器将是一个重点研究方向。在此背景下,本论文通过对谐振腔微扰理论,导波特性以及天线理论等基础知识的学习,以衬底集成波导重入式腔体谐振器(Substrate integrated waveguide re-entrant cavity resonator,简称:SIW-RECR)结构为基础,利用其显著的谐振特性,设计了两款性能优异的微波湿度传感器,并通过印制电路板工艺加工制备传感器原型,开展了针对RH的传感检测研究,具体研究成果如下:(1)提出了一种加载PEDOT:PSS薄膜的SIW-RECR差分湿度传感器。将传感和参考SIW RECR纵向叠加构造差分结构,抑制温度等因素环境引起的交叉敏感现象。为了提高传感器的响应时间和灵敏度等湿度传感性能,将空气填充型衬底、金属格栅通孔和湿敏材料三种技术相结合来设计和制造传感器。打样制备了几种差分微波湿度传感器,研究了湿度传感特性与器件结构和湿敏材料沉积量的依赖关系。实验结果表明,在传感区域沉积300-u L湿敏材料的传感器B(含金属格栅通孔)具有较高的灵敏度(209.3 k Hz/%RH)和在32.8%～97.3%RH范围内的较低的迟滞特性(0.592%RH)。虽然传感器B的灵敏度没有传感器C高(400-u L湿敏材料沉积和含金属格栅通孔),但它表现出优异的湿度低滞后特性和对温度变化最佳的抑制作用。在传感器的湿度响应性能方面,传感器B和C(含金属格栅通孔)的湿度响应时间分别缩短为传感器B和C(不含金属格栅通孔)的1/6和1/3。此外,通过实际的温度效应实验,传感器B对温度变化有很好的抑制作用。(2)提出了加载正交缝隙天线的FSIW-RECR(Folded substrate integrated waveguide re-entrant cavity resonator,简称:FSIW-RECR)无线湿度传感器,通过集成负阻电路以实现对RH的高分辨率传感检测。首先,采用SIW腔体折叠技术,使得加载正交缝隙天线的四电容柱RECR结构进一步小型化,使其具备双向辐射特性,以接收外部的询问信号和向外传输响应信号。同时采用空气填充型衬底和金属格栅通孔技术,提高传感器的湿度响应性能。通过仿真分析传感器电磁场分布以及辐射特性,进一步优化后,当旋转外部标准喇叭发射/接收天线使其电场极化方向与任意一对弧形缝隙接收/发射天线的电场极化方向一致时,可获取谐振模式1或模式2的传输响应曲线S,实现信息的无线传输。为提高传感器的分辨率,实现对RH的高分辨率检测,该无源结构通过集成了一款微波负阻电路,构造成高品质因数Q的有源传感器,极大提高传感器在两种工作模式下湿度检测分辨率。最后搭建无线湿度传感测试平台,探究有源传感器对RH变化的检测能力。实验结果表明,有源传感器在谐振模式1和模式2下的Q值分别为5230和4073,相比无源传感器,Q值提高了96倍(模式1)和75倍(模式2)。在低湿度环境中的湿度检测分辨率为5%RH,在高湿度环境中的湿度检测分辨率为4%RH,展现出优异的高分辨率性能。

关键词：重入式腔体谐振器湿度传感器相对湿度检测温度效应缝隙天线

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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

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

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作者：付灵龙西南大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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基于介电色散谱表征技术的液体介电特性测量与湿度无线传感应用研究

基于介电色散谱表征技术的液体介电特性测量与湿度无线传感应用研...

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作者：陈裕康西南大学

学位级别：硕士

介电色散谱表征技术(Dielectric dispersion spectroscopy characterization technology:DDSCT)是探测目标对象电磁参量特性的高精度表征手段,被广泛地用于农业、机械、化工与生物医疗等领域。重入式腔体谐振器(Re-entrant cavity resonator:RECR)凭借其灵敏度高,抗干扰能力强,平面易集成等特点,成为DDSCT的首选器件结构。然而,面对日益增加的高精度测试需求和日益复杂的测试环境,传统重入式谐振腔已无法满足这些实际应用需求。基于此,本论文以传统重入式谐振腔为基础,设计制造了两款新型重入式腔体传感器,并将其分别应用于液态媒质复介电特性测量领域和无线湿度传感领域。具体研究如下:(1)面向液体复介电常数测量的重入式谐振腔介电传感器设计了一款加载环形缝隙的无源重入式谐振器(Re-entrant cavity resonator RECR loaded by an annular slot:AS-RECR),将加载液态介电媒质的微流体嵌入AS-RECR强电场区域,依赖AS-RECR诱导强电场与介电媒质的极化效应,对液态媒质复介电常数进行测量与反演。首先,将环形缝隙加载于RECR带隙电容表面,有效地抑制RECR金属柱周围的边缘电场,形成AS-RECR。依据传输线和电磁理论,构建了依赖AS-RECR物理结构参数的等效LRC电路模型。分析了AS-RECR介电传感器灵敏度对环形缝隙半径的依赖关系,并给出了最优传感特性的环形缝隙结构;基于等效LRC电路模型,研究了传感器的介电传感特性与机理。其次,通过分析环形缝隙电容与液态媒质有效传感电容的比值对AS-RECR谐振频率的影响规律,有效简化AS-RECR谐振频率与液态媒质复介电常数实部的关系,并以此为基础构建了液态媒质复介电常数实部解析反演模型。另外,提出了一种依赖最小二乘法和矩阵变换技术的高精度、改进型复介电常数虚部反演模型。最后,采用印刷电路板工艺和微机械加工技术制造了AS-RECR微流体传感器原型器件,利用已知复介电常数的甲醇-水混合溶液对提出的复介电常数反演预测模型进行标定,同时对加载乙醇-水混合溶液的传感器谐振特性进行测量,依托标定的复介电常数反演模型,分别实现了介电常数实部和虚部测量误差不高于4.07%和7.79%的预测,进一步验证了设计开发的AS-RECR微波传感器可对液态媒质的复介电常数进行精确表征与测量。(2)加载双缝隙天线的折叠重入式谐振器无线湿度传感器设计了一款加载双缝隙天线的折叠重入式谐振腔传感器(Folded-re-entrant-cavity-resonator-based double slot antenna sensor:FRECR-DSAS),利用微波负阻电路对无源FRECR-DSAS的热损耗功率进行补偿,实现高Q的FRECR-DSAS有源传感器,实现对环境湿度的高分辨测量。首先,将双缝隙天线集成到折叠重入式谐振腔的顶面和底面金属层,以接收和传输外部无线询问和响应信号,依托矢量网络分析仪,实现基于S传输的无线信息测量。其次,采用导气孔和空气填充层技术,增强湿空气在传感器内部的流通速率以及富集效应,提高传感器的湿度响应速度。另外,利用电磁仿真分析技术,探究了FRECR-DSAS内部电磁场分布规律,揭示其电磁传感机理;研究FRECR-DSAS的电磁辐射特性,探明实现最大信号无线传输效率的信号传输路径。同时,将微波负阻电路与FRECR-DSAS耦合集成,形成高Q值的微波有源传感器,实现传感器对湿空气的高分辨率、低下限限值探测;利用电路仿真软件,分析了负阻电路的阻抗特性对传感器谐振频率的影响。最后,搭建了湿度无线测试平台,实验探究FRECR-DSAS对湿度变化的探测分辨能力。实验结果表明,在22.9%和78.5%的相对湿度条件下,FRECR-DSAS能对3.2%和0.4%的微小相对湿度变化量进行高分辨探测,其探测分辨能力远高于无源传感器。

关键词：介电色散谱表征技术重入式腔体谐振器液体复介电常数测量湿度无线传感负阻电路

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