[发明专利]基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器

说明书

本发明公开基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器。该传感器为用于测量环境的湿度的反射型无源传感器，包括底层的金属薄片，中间层的湿度敏感介质板Kapton500HN，顶层是一段微带线；整个微带线结构一端伸出馈电长脚用于连接SMA连接头。EMSIW腔的物理尺寸减小了87.5％，并且能够保持相同的主共振频率。该传感器具备测量环境湿度的功能，不仅具有高灵敏度和高精度的优良性能，而且其结构简单、小型化、测量范围广、实用性很强。

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种微带线激励的传感器，特别涉及一种基于八分之一模的衬底集成波导(Eight Mode Substrate integrated waveguide-EMSIW)的用于测量湿度的小型化微波传感器。

背景技术

随着社会经济的日益进步和人们的生活水平的不断提高，湿度传感器在工业、农业、医疗、食品包装以及人们的家庭生活中已经得到了广泛的应用。一个合格的湿度传感器不仅需要满足线性响应、灵敏度快还需要满足湿度范围广、成本低、滞后小等要求。因此如何快速、准确地获取环境中的湿度参数已经成为目前学术界和工业界共同关注的焦点。

在传统的湿度传感器中，利用电阻式、表面声波(SAW)、光纤、电容式等不同的传感机制构建的湿度传感器已经付出了巨大的努力。电阻式传感器价格低廉，在中等湿度范围内表现出良好的性能，但电阻式仪表在较低湿度时响应较弱。此外，它们还存在尺寸大、成品率低、电流漂移和与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路难以集成等问题，这些问题都限制了电阻式湿度传感器的发展。

另外，ZnO/SnO2混合氧化物的湿度敏感材料虽然在5％-85％的湿度变化范围里具有良好的湿度敏感性能，但是其温度的稳定性差、气体选择性差等缺点造成的传感器能耗较高，从而逐渐被其他传感器所替代。

因此，为了解决上述的问题,本次申请基于Kapton 500HN的EMSIW湿度传感器，在扩大对湿度的测量范围的同时，不但提高了其测量的灵敏度，而且其尺寸与传统方形衬底集成波导(SIW)相比，EMSIW的物理尺寸减小了高达87.5％，同时还能够保持相同的主共振频率，这正是体现我们的一大创新。

发明内容

本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高Q值、测量范围广、结构小型化的湿度传感器。该传感器是在八分之一模式的衬底集成波导(EMSIW)的结构的基础上，采用微带线激励进行设计的。

本发明按以下技术方案实现：

一种微波传感器，该微波传感器为单端口器件，分为三层结构；

顶层包括金属补丁、微带线和一个SMA连接头；

中间层采用湿度敏感介质板Kapton500HN；Kapton 500HN学名是聚酰亚胺，其介电常数是随湿度线性变化，厚度是125μm。

底层包括金属薄片；

金属补丁上设有若干等距排布用于耦合金属薄片的金属通孔；由金属补丁、微带线、介质板Kapton500HN、金属薄片、金属通孔构成八分之一模式的衬底集成波导(EMSIW)；

在金属补丁的电壁上连接有微带线，金属补丁在微带线两侧开有轴对称的L型缝隙(左侧L型缝隙为顺时针旋转180°后的L结构，右侧L型缝隙与左侧L型缝隙关于微带线轴对称)；

所述微带线包括一个输入端口，所述的输入端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；

所述传感器的灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；质量因子决定了测量的精度；超大的测量范围和结构的小型化决定了传感器的实用性。