基于EMSIW的多功能傳感器設(shè)計(jì)

王 晶，范立超，王大偉，趙文生

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，傳感器技術(shù)從人們的日常生活到宇宙之外的太空科技，已經(jīng)滲透到當(dāng)前信息化社會(huì)的各個(gè)層面。信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新，促進(jìn)了傳感器面向微型化、多功能化的發(fā)展方向。

依照傳感器的應(yīng)用分類，傳感器種類繁多。其中具有溫度測(cè)量功能的傳感器占據(jù)了傳感器市場(chǎng)的75%～80%［1］。而除溫度之外，濕度是另一個(gè)幾乎所有領(lǐng)域都無(wú)法避免的環(huán)境因素，因此對(duì)于一個(gè)多功能傳感而言，溫、濕度測(cè)量是其所需具備的基本功能［2-3］。本研究試圖研發(fā)一款，在溫、濕度測(cè)量之外，能同時(shí)測(cè)量材料復(fù)介電常的微型多功能傳感器。

在恒定電場(chǎng)分布下，介質(zhì)電流與電壓相位相同，介電常數(shù)為定值；但是在交變電場(chǎng)中，由于介質(zhì)中的各種轉(zhuǎn)向極化跟不上外電場(chǎng)變化而引起各種弛豫極化，電流與電壓相位不同，此時(shí)介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)。復(fù)介電常數(shù)的虛部代表了材料的損耗項(xiàng)，因此材料復(fù)介電常數(shù)的精確測(cè)量在工業(yè)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面有重要應(yīng)用［4］。至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛表現(xiàn)出對(duì)介質(zhì)材料復(fù)介電常數(shù)研究的熱情，并且基于不同的測(cè)量技術(shù)取得了一定的研究成果。2017 年印度的Muhanmmed Shafi等［5］基于開口諧振環(huán)諧振器（SRR）技術(shù)制作了新型微波傳感器，用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)；2018 和2021 年國(guó)內(nèi)外學(xué)者用開口諧振環(huán)測(cè)試了液體樣本的復(fù)介電常數(shù)［6-7］。與傳統(tǒng)波導(dǎo)技術(shù)相比，SIW便于與平面結(jié)構(gòu)結(jié)合，并在保留其高Q值、低插入損耗、高功率容量等工作性能的同時(shí)還具有：①小型化；②質(zhì)量輕；③高輻射效率等顯著優(yōu)勢(shì)［8］。而改進(jìn)的半?；刹▽?dǎo)（HMSIW）和八分之一模基片集成波導(dǎo)（EMSIW）技術(shù)進(jìn)一步縮小SIW尺寸至原來的1／2 和1／8［9-10］。因此本研究擬利用HMSIW 技術(shù)，結(jié)合互補(bǔ)式開口諧振環(huán)（CSRR）［11-12］，設(shè)計(jì)一款集溫濕度測(cè)量與復(fù)介電常數(shù)測(cè)量于一體的微型多功能傳感器。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于電小天線技術(shù)［10］。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多功能傳感器基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)EMSIW 和一個(gè)CSRR構(gòu)成，其底部和頂部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多功能傳感器頂部（左）和底部（右）結(jié)構(gòu)視圖

該傳感器的頂部由一個(gè)末端帶貼片的單端微帶線構(gòu)成，并通過在反射型曲線上增加一個(gè)開口方向向上的諧振來增大S11的振幅。傳感器的金屬接地面上刻蝕有一條帶有開口的環(huán)槽CSRR 溝槽，該開口分別向內(nèi)外延伸，用于增強(qiáng)環(huán)槽與槽溝之間的區(qū)域磁場(chǎng)；另外，與環(huán)槽開口相對(duì)的直角分別對(duì)齊并向內(nèi)彎折，用于增強(qiáng)該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)最大的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)。這兩個(gè)區(qū)域可分別用來測(cè)量磁介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并且兩種測(cè)量之間不存在相互干擾。微帶線和改進(jìn)的CSRR溝槽被印刷在厚度為25 mm的Kapton 100HN聚酯亞胺薄膜介質(zhì)板EMSIW上。各部分的詳細(xì)尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 傳感器結(jié)構(gòu)各部分的詳細(xì)尺寸參數(shù) mm

為了驗(yàn)證傳感器對(duì)環(huán)境溫度、濕度以及材料復(fù)介電常數(shù)檢的檢測(cè)性能，首先仿真了該傳感器空載時(shí)在中心頻率（f0＝11.229 GHz）處的電場(chǎng)分布和傳感器空載時(shí)EMSIW的頻率特性用于參考，結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示。從圖2 可以看出，電場(chǎng)分布主要集中在CSSR蜿蜒槽附近，即圖中白色方框所示區(qū)域，因此可以在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行材料復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量。從圖3 可得，EMSIW一共有2 個(gè)諧振點(diǎn)f1和f2，其中f1＝7.483 GHz是EMSIW自身的諧振點(diǎn)，用來進(jìn)行環(huán)境濕度的表征；f2＝11.229 GHz 是該傳感器CSRR 帶來的諧振點(diǎn)，用來實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測(cè)量以及材料復(fù)介電常數(shù)的檢測(cè)。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的曲線存在較大的差異，是由實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)量誤差以及設(shè)備器件磨損造成的誤差所至。

圖3 EMSIW反射系數(shù)曲線仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

通過在傳感器CSRR下部焊接一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R-T-CMFA103J3950HANT，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性可以檢測(cè)環(huán)境溫度的改變。R-T-CMFA103J3950HANT 型號(hào)的熱敏電阻在環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，阻值約為20 kΩ，當(dāng)環(huán)境溫度升高到60 ℃時(shí)，其電阻值下降到2.5 kΩ。

該傳感器溫度測(cè)量等效電路模型如圖4 所示，等效電路參數(shù)如下：電感L1＝0.56 nH，電感L2＝0.56 nH，電容Cc＝0.16 pF，電阻Rs＝6.7 kΩ，電感Ls＝0.247 5 nH，電容Cs＝0.647 9 pF。該電路模型描述了在EMSIW腔的底部刻蝕了一個(gè)焊接有熱敏電阻的CSRR。在EMSIW中，金屬化的通孔連接頂部和底部的銅模，并嵌入在Kapton HN基板中形成EMSIW腔的磁壁。兩側(cè)磁壁在電路模型中分別表示為L(zhǎng)1和L2，熱敏電阻Rs和自身等效電阻R1串聯(lián)，與自身等效電感Ls、等效電容Cs組成并聯(lián)諧振器。外部質(zhì)量因子Q滿足1／QL＝1／Qe+1／Q，其中Qe＝RL／w0L（RL的值主要由R1和Rs決定）。QL與RL成正比，因此隨著溫度的降低，整體電阻的阻值越大，Q越大［13］。電路仿真結(jié)果如圖5 所示。將不同溫度下的電阻值輸入HFSS 進(jìn)行溫度模擬，隨著溫度的升高，熱敏電阻的阻值逐漸減小，同時(shí)傳感器的Q也越來越小，但諧振頻率基本保持不變。

圖4 多功能傳感器等效短路

圖5 電路仿真結(jié)果

聚酰亞胺薄膜遇水導(dǎo)致材料分子結(jié)構(gòu)中的碳?xì)滏I發(fā)生斷裂，從而引起聚酰亞胺薄膜介電常數(shù)的發(fā)生變化，以上特性決定了聚酰亞胺薄膜可被用來測(cè)試環(huán)境中的相對(duì)濕度的變化［14］。室溫情況下（23 ℃），環(huán)境相對(duì)濕度為0%時(shí)，Kapton 100HN 聚酰亞胺薄膜的相對(duì)介電常數(shù)εr為3.05，當(dāng)相對(duì)環(huán)境濕度上升至100%，其εr增加到3.85。聚酰亞胺薄膜的εr隨相對(duì)濕度（RH）的線性表達(dá)式可寫為［15］：

把Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜作為敏感襯底，將其相對(duì)介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為耦合電容的差值，進(jìn)一步通過變化的電容引起諧振頻率的改變實(shí)現(xiàn)用Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的檢測(cè)。

把待測(cè)介電常數(shù)的材料置于圖2 中的介電常數(shù)敏感區(qū)域（白色方框區(qū)域），利用傳感器的反射系數(shù)曲線，可以得到被測(cè)材料的復(fù)介電常數(shù)。圖6 為該傳感器在不同材料下的反射系數(shù)曲線圖。當(dāng)待測(cè)材料介電常數(shù)從1 增大到10 時(shí)，諧振頻率從11.228 GHz 下降到10.984 GHz。介電常數(shù)與所設(shè)計(jì)的傳感器諧振頻率相對(duì)偏移的曲線如圖7 所示，利用多項(xiàng)式擬合可得介電常數(shù)與所設(shè)計(jì)的多功能傳感器諧振頻率相對(duì)偏移滿足以下關(guān)系：

圖6 多功能傳感器在不同介電常數(shù)材料下的反射系數(shù)變化曲線

圖7 多功能傳感器相對(duì)介電常數(shù)與傳感器諧振頻率相對(duì)偏移多項(xiàng)式擬合

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

參照表1 的結(jié)構(gòu)尺寸，使用25 μm 厚的Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜作為介質(zhì)板加工制作了該多功能傳感器的實(shí)物，如圖8 所示。

圖8 多功能傳感器實(shí)物

該多功能傳感器中2.3 mm的微帶線與特性阻抗為50 Ω的SMA連接頭相連，利用Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜介質(zhì)板對(duì)濕度敏感的特性，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)該傳感器所處環(huán)境的濕度；熱敏電阻直接焊接在CSRR環(huán)上，通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取傳感器的S參數(shù)即可檢測(cè)出環(huán)境的溫濕度變化；將待測(cè)材料放置在CSRR 蜿蜒槽上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料介電常數(shù)的檢測(cè)。

采用型號(hào)為GDJS-100C 可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行傳感器溫濕度測(cè)量。在測(cè)試之前，首先對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)該多功能傳感器的仿真結(jié)果，設(shè)定頻率掃描范圍：5 GHz ＜f＜12 GHz，中心頻率f0＝8.5 GHz，步進(jìn)值1 MHz（無(wú)特殊說明，以上測(cè)試條件不變）。把該多功能傳感器連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA后，插入提前設(shè)置好溫度、濕度的試驗(yàn)箱中。根據(jù)試驗(yàn)箱說明書，實(shí)驗(yàn)過程中最高溫度可調(diào)至150 ℃，最低溫度為-40 ℃；溫度維持在25～95 ℃范圍內(nèi)時(shí)，最大濕度能達(dá)到98% RH，最低的濕度為30% RH。

由于射頻連接器需要伸進(jìn)試驗(yàn)箱內(nèi)，考慮到溫度對(duì)電纜的影響，設(shè)定溫度變化范圍為20～60 ℃，實(shí)驗(yàn)過程中溫度的步進(jìn)值為5 ℃；濕度變化范圍為30%～98% RH，步進(jìn)值為5% RH。實(shí)驗(yàn)過程中，固定試驗(yàn)箱溫度，以5% RH 的步進(jìn)值來調(diào)節(jié)恒溫恒濕試驗(yàn)箱的濕度從30%～98% RH，然后再改變溫度，一共測(cè)得126 組樣本數(shù)據(jù)。BP-NN是一個(gè)能高精度地預(yù)測(cè)預(yù)期數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，126 組樣本數(shù)據(jù)通過BP-NN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到所需的網(wǎng)絡(luò)模型，其中BP-NN的結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示。根據(jù)柯爾莫哥洛夫定律，設(shè)置隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為12，反射系數(shù)曲線的第1 個(gè)諧振點(diǎn)的諧振頻率f和第2 個(gè)諧振點(diǎn)的幅值S11作為輸入數(shù)據(jù)，傳感器所處環(huán)境的濕度RH 和溫度RT 為輸出數(shù)據(jù)。

圖9 BP-NN結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證該BP-NN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所得到的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)環(huán)境溫濕度表征的準(zhǔn)確性，分別設(shè)置環(huán)境溫度26 ℃下，濕度分別為70%和39%；溫度33 ℃下，濕度分別為87%和66%；溫度37 ℃下，濕度分別為68%和35%以及溫度為56 ℃下，濕度分別為93%和64%，得到反射系數(shù)曲線分別如圖10 所示。圖11 為設(shè)置的濕度值與BP-NN 模型計(jì)算值對(duì)比圖。從圖11 可以看出，所提取的當(dāng)時(shí)所處環(huán)境的溫濕度與BP-NN網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算值有合理的一致性，這也說明利用BP-NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)得到網(wǎng)絡(luò)模型來提取環(huán)境溫濕度的準(zhǔn)確性。

圖10 不同溫度下的反射系數(shù)變化曲線

圖11 傳感器所處環(huán)境的溫濕度與BP-NN網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算值與真實(shí)值的對(duì)比

采用型號(hào)為Keysight N5247A PNA-X的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過測(cè)量傳感器的S11實(shí)現(xiàn)對(duì)材料復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量，所測(cè)得的反射系數(shù)如圖12 所示，以該結(jié)果為參照標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)式（2）可以得到待測(cè)樣品的復(fù)介電常數(shù)。

圖12 EMSIW的反射系數(shù)曲線圖

本文分別對(duì)3 種不同介電常數(shù)的材料（不同介電常數(shù)的FR4 和TP 復(fù)合材料）進(jìn)行了測(cè)量和分析。為了提高測(cè)量結(jié)果的可靠性，每個(gè)樣本的測(cè)量都重復(fù)了6 次，最后對(duì)6 次測(cè)量的結(jié)果取平均值。提取的樣品介電常數(shù)列于表2。由于測(cè)量誤差導(dǎo)致介電常數(shù)測(cè)試誤差在4.9%左右。

表2 不同材料的介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多功能傳感器基本結(jié)構(gòu)由EMSIW 和一個(gè)改進(jìn)的CSRR構(gòu)成。結(jié)構(gòu)中與CSRR相連的熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，EMSIW介質(zhì)板上的聚酰亞胺薄膜允許傳感器進(jìn)行濕度測(cè)量，同時(shí)通過把待測(cè)量材料置于改進(jìn)的CSRR結(jié)構(gòu)高電場(chǎng)分布區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了材料復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量。另外EMSIW 可減小傳感器面積比一般SIW傳感器小87.5%。

通過傳感器測(cè)量各種物理參數(shù)的原理分析和等效電路仿真，為傳感器的實(shí)驗(yàn)制備提供了指導(dǎo)。該傳感器器件不僅可以在教學(xué)中進(jìn)行傳感器的測(cè)量使用、電路設(shè)計(jì)及分析、電磁場(chǎng)等知識(shí)教學(xué)，而且可以開拓學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更多的科技作品創(chuàng)新。