基于EMSIW的多功能傳感器設計

王 晶，范立超，王大偉，趙文生

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018）

0 引言

經過數十年的發展，傳感器技術從人們的日常生活到宇宙之外的太空科技，已經滲透到當前信息化社會的各個層面。信息技術的不斷創新，促進了傳感器面向微型化、多功能化的發展方向。

依照傳感器的應用分類，傳感器種類繁多。其中具有溫度測量功能的傳感器占據了傳感器市場的75%～80%［1］。而除溫度之外，濕度是另一個幾乎所有領域都無法避免的環境因素，因此對于一個多功能傳感而言，溫、濕度測量是其所需具備的基本功能［2-3］。本研究試圖研發一款，在溫、濕度測量之外，能同時測量材料復介電常的微型多功能傳感器。

在恒定電場分布下，介質電流與電壓相位相同，介電常數為定值；但是在交變電場中，由于介質中的各種轉向極化跟不上外電場變化而引起各種弛豫極化，電流與電壓相位不同，此時介電常數是一個復數。復介電常數的虛部代表了材料的損耗項，因此材料復介電常數的精確測量在工業、材料科學、醫學等方面有重要應用［4］。至今，國內外學者紛紛表現出對介質材料復介電常數研究的熱情，并且基于不同的測量技術取得了一定的研究成果。2017 年印度的Muhanmmed Shafi等［5］基于開口諧振環諧振器（SRR）技術制作了新型微波傳感器，用于測量復介電常數；2018 和2021 年國內外學者用開口諧振環測試了液體樣本的復介電常數［6-7］。與傳統波導技術相比，SIW便于與平面結構結合，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還具有：①小型化；②質量輕；③高輻射效率等顯著優勢［8］。而改進的半模基片集成波導（HMSIW）和八分之一模基片集成波導（EMSIW）技術進一步縮小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，結合互補式開口諧振環（CSRR）［11-12］，設計一款集溫濕度測量與復介電常數測量于一體的微型多功能傳感器。該方法已經成功應用于電小天線技術［10］。

1 實驗原理與設計

設計的多功能傳感器基本結構由一個EMSIW 和一個CSRR構成，其底部和頂部結構如圖1 所示。

圖1 多功能傳感器頂部（左）和底部（右）結構視圖

該傳感器的頂部由一個末端帶貼片的單端微帶線構成，并通過在反射型曲線上增加一個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槽CSRR 溝槽，該開口分別向內外延伸，用于增強環槽與槽溝之間的區域磁場；另外，與環槽開口相對的直角分別對齊并向內彎折，用于增強該區域的電場強度，實現最大的邊緣電場效應。這兩個區域可分別用來測量磁介質材料的介電常數和磁導率，并且兩種測量之間不存在相互干擾。微帶線和改進的CSRR溝槽被印刷在厚度為25 mm的Kapton 100HN聚酯亞胺薄膜介質板EMSIW上。各部分的詳細尺寸參數如表1 所示。

表1 傳感器結構各部分的詳細尺寸參數 mm

為了驗證傳感器對環境溫度、濕度以及材料復介電常數檢的檢測性能，首先仿真了該傳感器空載時在中心頻率（f0＝11.229 GHz）處的電場分布和傳感器空載時EMSIW的頻率特性用于參考，結果分別如圖2 和圖3 所示。從圖2 可以看出，電場分布主要集中在CSSR蜿蜒槽附近，即圖中白色方框所示區域，因此可以在該區域內進行材料復介電常數的測量。從圖3 可得，EMSIW一共有2 個諧振點f1和f2，其中f1＝7.483 GHz是EMSIW自身的諧振點，用來進行環境濕度的表征；f2＝11.229 GHz 是該傳感器CSRR 帶來的諧振點，用來實現環境溫度的測量以及材料復介電常數的檢測。仿真結果和實驗測量的曲線存在較大的差異，是由實驗過程中的測量誤差以及設備器件磨損造成的誤差所至。

圖3 EMSIW反射系數曲線仿真和實驗對比圖

通過在傳感器CSRR下部焊接一個具有負溫度系數的熱敏電阻R-T-CMFA103J3950HANT，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性可以檢測環境溫度的改變。R-T-CMFA103J3950HANT 型號的熱敏電阻在環境溫度為10 ℃時，阻值約為20 kΩ，當環境溫度升高到60 ℃時，其電阻值下降到2.5 kΩ。

該傳感器溫度測量等效電路模型如圖4 所示，等效電路參數如下：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。兩側磁壁在電路模型中分別表示為L1和L2，熱敏電阻Rs和自身等效電阻R1串聯，與自身等效電感Ls、等效電容Cs組成并聯諧振器。外部質量因子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］。電路仿真結果如圖5 所示。將不同溫度下的電阻值輸入HFSS 進行溫度模擬，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 電路仿真結果

聚酰亞胺薄膜遇水導致材料分子結構中的碳氫鍵發生斷裂，從而引起聚酰亞胺薄膜介電常數的發生變化，以上特性決定了聚酰亞胺薄膜可被用來測試環境中的相對濕度的變化［14］。室溫情況下（23 ℃），環境相對濕度為0%時，Kapton 100HN 聚酰亞胺薄膜的相對介電常數εr為3.05，當相對環境濕度上升至100%，其εr增加到3.85。聚酰亞胺薄膜的εr隨相對濕度（RH）的線性表達式可寫為［15］：

把Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜作為敏感襯底，將其相對介電常數的變化轉化為耦合電容的差值，進一步通過變化的電容引起諧振頻率的改變實現用Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜對環境相對濕度的檢測。

把待測介電常數的材料置于圖2 中的介電常數敏感區域（白色方框區域），利用傳感器的反射系數曲線，可以得到被測材料的復介電常數。圖6 為該傳感器在不同材料下的反射系數曲線圖。當待測材料介電常數從1 增大到10 時，諧振頻率從11.228 GHz 下降到10.984 GHz。介電常數與所設計的傳感器諧振頻率相對偏移的曲線如圖7 所示，利用多項式擬合可得介電常數與所設計的多功能傳感器諧振頻率相對偏移滿足以下關系：

圖6 多功能傳感器在不同介電常數材料下的反射系數變化曲線

圖7 多功能傳感器相對介電常數與傳感器諧振頻率相對偏移多項式擬合

2 實驗結果與分析

參照表1 的結構尺寸，使用25 μm 厚的Kapton 100HN聚酰亞胺薄膜作為介質板加工制作了該多功能傳感器的實物，如圖8 所示。

圖8 多功能傳感器實物

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聚酰亞胺薄膜介質板對濕度敏感的特性，實現檢測該傳感器所處環境的濕度；熱敏電阻直接焊接在CSRR環上，通過采用BP神經網絡提取傳感器的S參數即可檢測出環境的溫濕度變化；將待測材料放置在CSRR 蜿蜒槽上，進而實現對材料介電常數的檢測。

采用型號為GDJS-100C 可程式恒溫恒濕試驗箱進行傳感器溫濕度測量。在測試之前，首先對矢量網絡分析儀進行校準。根據該多功能傳感器的仿真結果，設定頻率掃描范圍：5 GHz ＜f＜12 GHz，中心頻率f0＝8.5 GHz，步進值1 MHz（無特殊說明，以上測試條件不變）。把該多功能傳感器連接到矢量網絡分析儀VNA后，插入提前設置好溫度、濕度的試驗箱中。根據試驗箱說明書，實驗過程中最高溫度可調至150 ℃，最低溫度為-40 ℃；溫度維持在25～95 ℃范圍內時，最大濕度能達到98% RH，最低的濕度為30% RH。

由于射頻連接器需要伸進試驗箱內，考慮到溫度對電纜的影響，設定溫度變化范圍為20～60 ℃，實驗過程中溫度的步進值為5 ℃；濕度變化范圍為30%～98% RH，步進值為5% RH。實驗過程中，固定試驗箱溫度，以5% RH 的步進值來調節恒溫恒濕試驗箱的濕度從30%～98% RH，然后再改變溫度，一共測得126 組樣本數據。BP-NN是一個能高精度地預測預期數據的機器學習工具，126 組樣本數據通過BP-NN 神經網絡進行訓練，得到所需的網絡模型，其中BP-NN的結構圖如圖9 所示。根據柯爾莫哥洛夫定律，設置隱藏層的節點數為12，反射系數曲線的第1 個諧振點的諧振頻率f和第2 個諧振點的幅值S11作為輸入數據，傳感器所處環境的濕度RH 和溫度RT 為輸出數據。

圖9 BP-NN結構圖

為了驗證該BP-NN 神經網絡所得到的網絡模型對環境溫濕度表征的準確性，分別設置環境溫度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%，得到反射系數曲線分別如圖10 所示。圖11 為設置的濕度值與BP-NN 模型計算值對比圖。從圖11 可以看出，所提取的當時所處環境的溫濕度與BP-NN網絡模型的計算值有合理的一致性，這也說明利用BP-NN神經網絡訓練樣本數據得到網絡模型來提取環境溫濕度的準確性。

圖10 不同溫度下的反射系數變化曲線

圖11 傳感器所處環境的溫濕度與BP-NN網絡模型計算值與真實值的對比

采用型號為Keysight N5247A PNA-X的矢量網絡分析儀，通過測量傳感器的S11實現對材料復介電常數的測量，所測得的反射系數如圖12 所示，以該結果為參照標準，根據式（2）可以得到待測樣品的復介電常數。

圖12 EMSIW的反射系數曲線圖

本文分別對3 種不同介電常數的材料（不同介電常數的FR4 和TP 復合材料）進行了測量和分析。為了提高測量結果的可靠性，每個樣本的測量都重復了6 次，最后對6 次測量的結果取平均值。提取的樣品介電常數列于表2。由于測量誤差導致介電常數測試誤差在4.9%左右。

表2 不同材料的介電常數測試結果

3 結語

本文設計的多功能傳感器基本結構由EMSIW 和一個改進的CSRR構成。結構中與CSRR相連的熱敏電阻進行溫度測量，EMSIW介質板上的聚酰亞胺薄膜允許傳感器進行濕度測量，同時通過把待測量材料置于改進的CSRR結構高電場分布區域，實現了材料復介電常數的測量。另外EMSIW 可減小傳感器面積比一般SIW傳感器小87.5%。

通過傳感器測量各種物理參數的原理分析和等效電路仿真，為傳感器的實驗制備提供了指導。該傳感器器件不僅可以在教學中進行傳感器的測量使用、電路設計及分析、電磁場等知識教學，而且可以開拓學生的視野，啟發學生進行更多的科技作品創新。