CN109828158B - 基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统，系统主要由近场贴片传感器、平衡惠斯通电桥和下变频电路组成。其中，贴片传感器作为敏感元件来放置待测介质，不同介质会影响贴片的等效电导和电容，平衡惠斯通电桥用来测量该贴片导纳的变化，最后通过下变频电路和模数转换器进行数字信号处理，从而方便快捷地获得惠斯通电桥的输出电压，并且进一步推演得到待测材料介电常数的实部和虚部值。

Description

基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统

技术领域

本发明属于微波毫米波电路和传感器技术领域，提出了一种基于惠斯通电桥的便携式传感系统来测量复介电常数。

背景技术

在现代传感系统中，关于微波介电光谱被认为是一种很有前途的工具，并且广泛应用于农业、食品、汽车工业和生物医学领域。该方法主要依赖于复介电常数的测量以及介质复介电常数随频率的变化。例如，在农业中，蔬菜和水果复介电常数的变化可以估计出水和无机物含量的变化；在汽车行业中，介电常数的测量是首选的油品质量检测方法；在生物医学方面，其广泛应用于血糖检测和体内癌症检测与评估。尽管介电常数测量系统在现代生活中显示出了巨大的潜力，但由于传统测量方式往往依赖于大型实验设备如矢量网络分析仪。这制约了该方法在室外场景，远程定位测量等方面的应用，并且造成了成本的昂贵。

另一方面，为了真正开发微波介电常数传感器在现实应用中的潜力，对于传感器和测量系统的小型化设计是必不可少的。此外，小型化的传感器可以促进新的应用，例如用于在微波频段实现介电常数实时测量和可视化的二维传感器阵列设计。为了满足这样的成像系统的应用需求，必须将重点放在如何降低传感器及其信号调节电路的尺寸上，同时需要具备可快速读出数据且分辨率较高的特性。

此外，自然界中，介电常数往往是一个实数，即ε_r ^*＝ε_r′-jε_r″,其中实数部分ε_r′代表了能量的存储，而虚部ε_r″则表征了材料的损耗。现有的大部分测量方式往往只关注于实部的测量，而无法获取介质介电常数的虚部信息。例如工业上最常利用的谐振腔微扰法，通过测量介质加载谐振腔前后频率的变化来获得介电常数就无法测量出虚部值。

因此，以上两方面成为制约介电传感器进一步应用的重要因素。如何简洁高效地提取和转化传感器输出信号，研究开发用于介电常数测量的小型化传感系统，以及如何同时提取介电常数实部和虚部信息，已经成为学术界和工业界的一个研究热点。

发明内容

有鉴于此，本发明是为了克服上述所存在的困难，提出了一种小型便携式复介电常数传感器系统。

该传感器系统主要由近场贴片传感器、平衡惠斯通电桥和下变频电路组成。其中贴片传感器用来放置待测介质，惠斯通电桥用来测量贴片传感器的阻抗。

所述的惠斯通电桥和下变频电路为公知技术。

近场贴片传感器包括从下至上依次设置的硅基层、金属地层、氧化层、金属贴片以及钝化层；氧化层上表面开有一凹槽，该凹槽内放置金属贴片，且金属贴片上面留有钝化层开口；

检测时，待测介质(MUT)放置在传感器上表面，且完全覆盖金属贴片，此时待测介质与金属贴片间留有钝化层开口即空气层，等效于一个固定电容；

工作原理如下：近场贴片传感器等效于一个固定电容，当有待测介质(MUT)放上去的时候，其总导纳会发生变化，该导纳的电导和电容与介电常数有关。

将该近场贴片传感器代替惠斯通电桥的其中一个支路上的电容，该电桥由射频信号驱动，通过电桥差分输出信号的幅度和相位可以获取贴片传感器阻抗实部虚部信息，最后通过下变频电路输出中频信号，经过ADC及数字信号处理提取介电常数大小。

本发明的有益效果是：

本发明避开矢量网络分析仪的使用，大大降低了测试成本；同时可以测量介电常数的实部和虚部。

附图说明

图1为本发明中贴片传感器3D示意图。

图2为本发明中贴片传感器工艺横截面图。

图3为本发明中在1GHz频率下贴片传感器的总电导和电容随介质实部虚部的变化；其中(1)为电容，(2)为总电导。

图4为本发明中惠斯通电桥基本原理框图。

图5为本发明中将电桥输出信号下变频至中频示意电路图。

图6为本发明中平衡式差分电桥具体实现电路图。

图中：1.MUT；2.钝化层；3.氧化层；4.金属地；5.硅基；6.钝化层开口；7.金属贴片。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

针对现有技术中存在的缺陷，申请人发现避开对介质传感器频率响应的测量可以避开矢量网络分析仪等大型实验设备的依赖。因此申请者着眼于对传感器导纳的检测。图1所示为贴片传感器3D示意图，由于单一金属贴片电场线更深，近场场强更大，因此可以作为一个很好的敏感元件。该近场贴片传感器采用典型的CMOS工艺设计，其工艺横截面图如图2所示。最下层为硅基层(5)，硅基层上面连接金属地层(4)，金属地层上面连接氧化物层(3)，氧化物层上面连接钝化层(2)，氧化物层上面挖一凹槽嵌入金属贴片(7)，且金属贴片上面的钝化层移除掉形成钝化层开口(6)。钝化层上面放置待测介质(MUT)(1)且完全覆盖金属贴片。其中金属层材料为铜，氧化层材料为二氧化硅，硅基层材料为硅。

上述近场贴片传感器等效电路如图2所示，贴片传感器等效于一个固定电容C₀，C₀一端接地，另一端记为点P，待测介质的导纳Y_MUT等效于一个电容C_MUT和一个电导G_MUT的并联，其并联后一端接地，一端连接点P。

当没有待测介质放置时，节点P的导纳就是金属地层和金属贴片层所形成的固定电容C₀，当有MUT放入时，P点的导纳将会随着加载介质的变化而变化，由于复介电常数的实部和虚部分别代表了介质的储能和损耗，如图2所示，因此介质层可以等效于一个电容和电阻的并联，其导纳为Y_MUT≈G_MUT(ε″)+jωC_MUT(ε′),则节点P的总导纳为Y_P＝jωC₀+Y_MUT。

为了定量分析P点导纳和介电常数的关系，一个基于40nm工艺的100*100μm²大小贴片传感器进行EM电磁仿真。图3(1)、图3(2)所示为在1GHz下电容和电导随随介电常数实部和虚部的变化。由图可知，ε′和电容，ε″和电导近似为一种线性关系，即有

Y_P(ε′，ε″，ω)≈α_i·ω·ε″+jω·(C₀+α_rε′) (1)

其中α_i和α_r为实参数。表一总结了仿真后利用最小二乘法拟合后的各个参数值

参数	数值
		C<sub>0</sub>	82.56fF
α<sub>r</sub>	2.754fF<sup>-1</sup>
		α<sub>i</sub>	17.5μS<sup>-1</sup>·GHz<sup>-1</sup>

由于P点的电容和电导也分别受ε″和ε′的影响。因此申请人从EM仿真中拟合出了一种有理函数模型来进行校准。该模型公式如下所示

其中a是一个比例参数，等于贴片传感器尺寸，α_np和β_mq是N*P和M*Q阶矩阵的实际模型参数。为了使该模型参数符合EM仿真中导纳随ε′和ε″的变化，申请者发现当N＝P＝Q＝M＝1时，计算的介电常数在0.1-10GHz频率范围内的误差率在1％以内。

通过贴片传感器，本发明将复介电常数的测量转化为了导纳的测量，在本发明中采用惠斯通电桥来测量贴片传感器的导纳，因为该电桥提供了一个很好的定量导纳测量相对于一个基准导纳，在该贴片传感器中C₀即是基准导纳。该电桥基本原理图如图4所示，其主要由一个驱动放大器和四组并联电容电导组成的支路构成，电桥的输入信号为v_i，连接驱动放大器后输出v_in,v_in分成两路连接至第一支路和第三支路的一端，第一支路的另一端连接第二支路的一端，其连接点记为节点A,电压为v_b，O+，第二支路的另一端连接到地，第三支路的另一端连接第四支路的一端，其连接点记为节点B,电压为v_b，O-。第四支路的另一端连接到地。其中第一支路、第二支路和第三支路这三条支路导纳均为基准导纳Y₁,Y₁为固定电导G₁和固定电容C₁的并联。第四支路的初始导纳为Y₁，在此基础上将加载介质的贴片传感器连接入第四支路，则第四支路导纳变为基准导纳Y₁和加载导纳Y_L之和。,该电桥由一个频率为ω的信号经过驱动放大器激励，A,B节点的差分输出信号和输入信号v_in的关系如下所示

其中Y_L＝G_L+jB_L,Y₁＝G₁+jB₁，G为导纳实数部分电导，B为导纳虚数部分电纳，假定Y_L≠0，取公式(3)的倒数，有

用G_L，B_L，G₁和B₁来代替Y_L和Y₁，则有：

其中G_Lω＝G_L/|Y_L|²，B_Lω＝B_L/|Y_L|²,分别为加权负载电导和电纳值。由公式(5)和(6)可知，不管负载导纳Y_L偏离基准导纳Y₁多少，电桥差分输出的实部和虚部均是加权负载电导和电纳值的线性组合。基于此，通过电桥输入输出的线性关系，就可以避开高阶多项式的拟合而方便地获得负载导纳值(实部和虚部)，进而获得介电常数信息。但是，如图4所示的电路结构在输出端具有一个很大的共模信号分量，这对后续的读出链电路的共模抑制比(CMRR)提出了严格的要求。鉴于此，我们采用一种双平衡配置(double-balanced)差分电桥设计方案来解决上述问题。双平衡配置差分电桥由两个惠斯通电桥构成，其中一个惠斯通电桥没有加载导纳作为基准电桥，另一个惠斯通电桥有加载导纳作为测量电桥，输出为两个电桥的差分输出。

同时，为了方便后续数字信号处理，本发明采用将上述双平衡配置(double-balanced)差分电桥输出下变频到中频再连接模数转换器(analog-to-digitalconverter,ADC)进行处理。如图5所示，一个双平衡混频器(double-balanced mixer)通过连接电桥差分输出和本振信号将电桥射频输出信号转化为中频信号v_IF+,v_IF-。由于中频信号频率较低，可由低成本ADC进行方便处理，这样就大大降低了系统的实现成本。另外，本振LO信号为方波信号，由于混频器工作在线性区域，中频差分输出Δv_IF完全保留了电桥差分输出的Δv_b，o的信息，因此可以通过Δv_IF获得负载导纳信息，进而得到复介电常数值。

实施例1

本发明采用图6所示的平衡式差分电桥来测得材料的介电常数信息。贴片传感器通过一个开关l_c并联至测量电桥的第三支路上，如图所示，该电路由一对差分电桥组成，其支路的基准导纳为C_b。为了适应广泛的容性负载变化，并对各种不平衡状态下电桥行为进行实验研究，实施过程中C_b具体由8个可切换电容C₃并联组成，每个电容C₃通过串联一个10-μm/40-nm CMOS开关实现自由打开和关闭，因此提供了8种基准导纳值，其中C₃的大小为100fF。另外，电桥中间节点C,D,C′和D′与地中间分别了串联一个电阻，以确保开关偏置的时候有一个合适的直流通路。由公式(5)和(6)可知，为了测得负载导纳的电容和电导值，需要获得电桥输出的幅度和相位。特别需要说明的是，为了保证相位测量的一致性，还需要测量一个参考相位。这是为了确保在电桥输出端的相对相位变化，只是由贴片负载的变化而引起的。对于测定介质材料加载前后的输出量的相对幅度和相位变化，本发明采用在电桥负载导纳支路即节点C处并联一个参考电容C_f和所述的贴片传感器，该电容和传感器通过开关l_c实现切换选通。C_f选通时的输出相位为参考相位。而当传感器选通时，待测介质的引入会产生一个额外的相位偏移和幅度偏移。因此，可以通过在一个连续时域里多次切换开关，用于在这两种负载连接情况下获取包含电桥的两个输出的连续测量跟踪。通过对采集到的信号进行下转换和模转换处理，并通过与控制开关lc同步，可将两个独立的输出在数字域内隔离。然后计算两个输出的快速傅里叶变换(FFT)，并对其进行分割，便可以获得一致的相对相位差和幅值比，进而获得负载导纳的实部和虚部。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统，其特征在于主要由近场贴片传感器、用上述近场贴片传感器代替其中一个支路的平衡惠斯通电桥和下变频电路组成；其中贴片传感器用来放置待测介质；惠斯通电桥用来测量贴片传感器的阻抗；下变频电路用于将信号降低至中频，输出端接负载；

近场贴片传感器包括从下至上依次设置的硅基层、金属地层、氧化层、金属贴片以及钝化层；氧化层上表面开有一凹槽，该凹槽内放置金属贴片，且金属贴片上面留有钝化层开口。

2.如权利要求1所述的基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统，其特征在于检测时待测介质(MUT)放置在近场贴片传感器上表面，且完全覆盖金属贴片，此时待测介质与金属贴片间留有钝化层开口即空气层，等效于一个固定电容。

3.如权利要求1所述的基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统，其特征在于将该近场贴片传感器代替惠斯通电桥的其中一个支路上的电容，该电桥由射频信号驱动，通过电桥差分输出信号的幅度和相位可以获取贴片传感器阻抗实部虚部信息，最后通过下变频电路输出中频信号，经过ADC及数字信号处理提取介电常数大小。

4.如权利要求1所述的基于惠斯通电桥的小型便携式复介电常数传感系统，其特征在于贴片传感器作为敏感元件来放置待测介质，不同介质会影响贴片的等效电导和等效电容，通过仿真可以拟合电容和电导与介电常数实部虚部的关系；平衡惠斯通电桥用来测量该贴片导纳的变化，其差分输出信号的幅值和相位可以反映贴片导纳实部虚部信息。

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