用于測定介質的介電特性的傳感器和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于測定介質的介電特性的傳感器和方法。此外本發(fā)明涉及具有這樣的傳感器的傳感器裝置以及分析設備。
【背景技術】
[0002]在不同的技術領域上可能需要確定介質的一個或多個介電特性。這樣的確定可以例如借助微波實現，其中可以使用不同的方法，如例如透射測量、反射測量或者諧振測量。在透射測量中，介電特性基于信號通過介質或者導體的通行(透射)被測定。在反射測量中，介電特性基于信號在介質處或者借助于介質的反射被測定。所述諧振測量基于介質的諧振特性(也即振動特性)的測定，所述諧振特性重又可以被使用用于測定介電特性。
[0003]這些測量的結果可以被考慮用于測定介質的介電特性，尤其復介電常數。這些特性可以說明介質的不同的其他特性。例如在介質中葡萄糖、酒精或者鹽的濃度屬于此。
[0004]所述介電常數的確定可能在不同的領域中是期望的，如在醫(yī)學中或者還在工業(yè)設備中、例如在過程測量儀表設施的范圍內。在此情況下值得期望的是，已經可以確定小的濃度變化，對此高的測量精度是需要的。

【發(fā)明內容】

[0005]因此本發(fā)明的任務是，在測量精度方面改善介質的介電特性的測定。
[0006]因此，建議用于測定介質的介電特性的傳感器。所述傳感器具有帶有至少一個貫通接觸部的襯底和關于襯底的上表面平面地被布置的波導管。所述波導管能夠通過至少一個貫通接觸部與分析設備連接。此外，所述波導管被設立用于，從分析設備接收輸入信號并且向分析設備輸出輸出信號，其中輸入信號和輸出信號的特性在波導管與介質接觸時指示介質的介電特性。
[0007]利用所建議的傳感器，透射測量和反射測量可以被執(zhí)行。通過所述傳感器的平面的結構，介質的介電特性的測量精度的改善被實現。此外可以實現緊湊的測量單元，由此所述傳感器能夠在大量技術領域中被使用。因為所述傳感器可以具有小的尺寸，所以所述傳感器還可以移動地被使用。所述傳感器可以例如在醫(yī)學領域中作為移動設備被使用，所述移動設備也可以直接地對人執(zhí)行測量，其中所述介質可以對應于皮膚。因此可以取消取樣。
[0008]此外，所述傳感器可以在不同的工業(yè)設備中作為固定地安裝的設備或者作為移動的設備被使用。在此情況下，同樣地可以使所述傳感器直接與所述介質接觸，由此可以取消取樣。
[0009]在所描述的傳感器中，波導管關于襯底平面地被布置。印刷電路板可以例如被作為襯底使用。所述襯底可以由介電材料組成或者具有所述介電材料。
[0010]所述波導管可以是任何類型的波導管，其可以關于所述襯底的上表面平面地被布置?！瓣P于所述襯底的上表面平面地”就此而論可以意味著在所述襯底的上表面上平面地或者與所述襯底的上表面平面地。優(yōu)選地是平面的波導管。通過所述平面的布置可以實現緊湊的傳感器單元?！捌矫娴?Planar)”可以被理解為波導管的布置，其中傳感器裝置的上表面是平的或者平坦的。
[0011]所述波導管能夠通過貫通接觸部與分析設備連接。貫通接觸部就此而論表示孔，所述孔從襯底的上表面穿過所述襯底延伸到襯底的相反側。
[0012]所述分析設備可以是任意的設備，其適合于向波導管發(fā)送輸入信號，從所述波導管接收輸出信號并且基于這兩個信號的特性測定介質的介電特性。所述測定可以例如基于輸入信號和輸出信號的相位和/或振幅的比較實現，因為所述輸入信號和輸出信號的相位和/或振幅與材料有關地、即與介質有關地改變。
[0013]通過波導管發(fā)送的信號在波導管周圍產生散射場。該(電磁)散射場穿過所述介質。在此，例如輸入信號和輸出信號的相位和/或振幅改變。這些改變可以被使用用于測定介質的(一個或多個)介電特性。
[0014]所述輸入信號由分析設備產生。只要要執(zhí)行的測量是透射測量，那么所述輸入信號在波導管的一個末端處被饋入到波導管中，并且在波導管的另一末端處作為輸出信號又被分析設備接收。在反射測量的情況下，輸入信號在一個末端處被饋入到波導管中。在另一末端處，該另一末端在該情況下是開放的、也即未電連接的，信號從波導管進入介質中并且至少部分地被所述介質反射，并且被反饋到波導管中。該被反饋的信號重新被分析設備作為輸出信號接收。
[0015]所述分析設備可以例如是網絡分析器。這樣的網絡分析器可以是矢量網絡分析器(VNA)0該分析器可以被使用用于測量電測量對象的散射參數。散射參數表示測量對象的反射特性和透射特性。與這里描述的傳感器關聯地，概念“測量對象”涉及介質。所述介質可以采用固態(tài)、液態(tài)或者氣態(tài)的狀態(tài)。在此此外可以是液體或者氣體。
[0016]通過這里描述的傳感器，因此提供成本低的用于測定介質的介電特性的設備。該設備提供在大的測量范圍上的介電特性的測定。所述傳感器可以在不取樣的情況下被使用，并且因此在操縱上比傳統(tǒng)的傳感器更簡單。
[0017]在一種實施方式中，所述波導管在襯底的上表面上平面地被布置。
[0018]根據該實施方式，所述波導管是平面的波導管，其被布置在襯底的上表面上。就此而論平面地意味著所述波導管是平坦的并且與襯底共同地構成平的面。
[0019]在另一實施方式中，所述波導管是帶狀線。
[0020]帶狀線可以是微帶狀線、共面線或者開槽線(Schlitzleitung)。其他類型的帶狀線或者其他平面的波導管也是可能的。這些類型的波導管提供以下優(yōu)點，即所述波導管可以在例如傳統(tǒng)的印刷電路板的襯底上平面地被布置。帶狀線通常由一個或多個薄的、能傳導的條帶組成，所述條帶被施加在電介質(例如襯底)上。
[0021]在另一實施方式中，所述襯底具有至少兩個貫通接觸部，并且所述波導管通過至少兩個貫通接觸部能夠與分析設備的輸入端子和輸出端子連接。
[0022]以這種方式，所述波導管可以利用其兩個末端與所述分析設備連接。在該情況下，所述分析設備可以是雙端口分析設備。所述布置被使用用于透射測量，其中輸入信號通過分析設備被饋入到波導管的一個末端中，并且輸出信號在波導管的另一末端處被接收。一旦所述波導管與要檢查的介質接觸，也即“被加負載”，輸出信號的特性相比于輸入信號改變。例如所謂的散射參數(S參數)可以被測定。該S參數作為頻率的函數被測量并且說明反射和透射的值。從所述S參數中可以借助于合適的方法測定介質的介電特性、例如介電常數。
[0023]在另一實施方式中，波導管的一個末端與襯底平面地布置。
[0024]在該實施方式中，所述波導管被這樣布置，使得僅波導管的一個末端布置在襯底的上表面處，并且所述波導管穿過貫通接觸部伸展。波導管在襯底的上表面處的末端與襯底平面地布置。
[0025]在另一實施方式中，所述波導管被構造為開放式導體。
[0026]開放式導體、也即僅利用一個末端耦合到分析設備上而另一末端無電連接的導體如上所述被使用用于反射測量。被饋入到波導管中的信號在開放的末端處從所述波導管出來。通過所述要檢查的介質，所述信號至少部分地又被反饋到波導管中。根據該反饋，S參數同樣可以被測定。所述網絡分析器可以在該情況下被構造為單端口。
[0027]在另一實施方式中，所述襯底具有介電材料。
[0028]所述襯底可以是印刷電路板，其由介電材料組成。
[0029]在另一實施方式中，保護層被布置在襯底的上表面上方。
[0030]這樣的保護層可以用于防止污染或者還防止?jié)駳馔ㄟ^所述介質。所述保護層可以例如是薄膜。作為用于保護層的材料，例如聚對二甲苯C或者硅樹脂可以被使用。這些材料可以在高的溫度范圍上被使用。其他材料同樣可以被使用。優(yōu)選地，所述材料應當不影響波導管的高頻特性。所述保護層可以是非常薄的、例如幾微米厚、例如在5至10微米范圍內，這同樣有助于不影響波導管的高頻特性。
[0031 ] 在另一實施方式中，所述襯底具有下襯底層和上襯底層。
[0032]兩個襯底層可以由同一材料制成。所述分析設備可以被集成在下襯底層中。
[0033]在另一實施方式中，接地層被布置在上襯底層和下襯底層之間。
[0034]所述接地層將上襯底層與下襯底層分離。如果貫通接觸部不通過整個襯底、而是僅通過一個襯底層伸展直至接地層，那么通過所述接地層能夠實現與地的連接。所述接地層可以由金屬組成或者具有金屬化部。
[0035]在另一實施方式中，所述波導管通過同軸接頭在下襯底層上與另一波導管連接。
[0036]同軸接頭表示在該波導管和另一波導管或者另一導體之間的寬帶接頭、也即連接。這意味著所述波導管能夠通過寬帶接頭與分析設備連接。寬帶接頭提供寬的頻率范圍的傳輸。為此同軸接頭被使用。這些接頭借助于同軸導體被提供，所述同軸導體具有內部導體，以及圍繞該內部導體同中心布置地具有另一導體。該另一導體可以由多個單個導體組成。通過這些布置，寬帶接頭(通過同軸接頭)以及多層接頭(通過多個波導管)被提供。
[0037]此外用于測定介質的介電特性的傳感器裝置被建議。所述傳感器裝置具有上面闡述的傳感器和分析設備，所述分析設備與傳感器連接。
[0038]在一種改進方案中，所述分析設備被集成在傳感器的襯底中。
[0039]所述分析設備可以直接地被集成到襯底中。所述波導管在該情況下處于傳感器裝置的一側上，并且所述分析設備處于傳感器裝置的相反側上。以這種方式，一方面可以實現緊湊的傳感器裝置。另一方面可能的是僅使傳感器裝置的具有波導管的側與介質接觸，使得所述分析設備被保護。
[0040]在另一改進方案中，所述分析設備是網絡分析器。[0041 ] 網絡分析器(VNA)在高頻技術中被使用，以便作為頻率的函數測量電測量對象(這里所述介質)的散射參數(S參數)、也即反射和透射。
[0042]所述網絡分析器可以將信號(外發(fā)的波)發(fā)送到波導管中，所述波導管與要檢查的對象(被測器件(device under test))、也即介質接觸。信號的頻率、振幅和相位是已知的。所述介質反射該信號的一部分(在輸入端處返回的波)，該部分在反射測量情況下表不輸出信號。剩下的、也即未反射的信號在介質中運行到波導管中，在那里被改變(例如衰減、增強或者移相)并且在波導管的輸出端處作為所傳輸的信號(在輸出端處返回的波)被網絡分析器再次接收。輸入信號和輸出信號之間的差異如上所述被使用用于測定介質的介電特性。
[0043]此外，建議用于借助于傳感器測定介質的介電特性的方法。所述傳感器具有帶有至少一個貫通接觸部的襯底和關于襯底的上表面平面地被布置的波導管，其中所述波導管能夠通過至少一個貫通接觸部與分析設備連接。所述方法作為第一步驟包括從分析設備接收輸入信號。在另一步驟中，將輸出信號輸出給分析設備，其中輸入信號和輸出信號的特性在波導管與介質接觸時指示介質的介電特性。
[0044]本發(fā)明的上述特性、特征和優(yōu)點以及類型和方式(如所實現的這些)結合實施例的以下描述變得更清楚和更明確地易懂，所述實施例