基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器设计*

伍国柱,谭秋林*,唐 顺,魏坦勇,熊继军

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器设计*

伍国柱1,2,谭秋林1,2*,唐 顺1,2,魏坦勇1,2,熊继军1,2

(1.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

提出一种新型的基于基片集成波导和消失模谐振腔的压力传感结构。设计了圆形空腔,当施加外界压力时,圆形空腔发生形变从而使谐振腔谐振频率变化。采用共面波导线对谐振腔进行耦合馈电并将频率信号传输出来。通过读取传感器的回波损耗参数(S11)来表征压力与频率的关系。利用高频仿真软件HFSS对谐振腔进行了仿真设计和优化,设计尺寸为30 mm×30 mm×1.93 mm,与传统谐振腔相比体积明显减小。传感器基底为Rogers 4003C板材,采用PCB技术进行加工。搭建压力测试平台对传感器进行测试,结果表明在0～3 N的压力范围内变化100 MHz,绝对灵敏度为25 MHz/N。仿真和实测结果比较吻合,验证了所设计压力结构的有效性。

压力传感器;基片集成波导;消失模谐振腔;频率测量;共面波导耦合

压力传感器在日常控制和监测方面起着重大作用,可应用于非常多的领域,如生物医疗监测[1],工业领域[2-3]和航空航天应用[4-5]。常见的压力传感器有压阻式、电容式和谐振式。其中谐振式压力传感器除了具有普通压力传感器的优点外,还具有准数字信号输出,抗干扰能力强,分辨率和测量精度高等优点。谐振式压力传感器目前已开展深入的研究[6-7],利用谐振腔的特性,研究新的压力测试结构和材料将为实际应用提供更多可能。基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)主要应用于滤波器方面[8-9],使其与电路能够平面集成,从而可以广泛应用于微波以及毫米波电路中。基于消逝模的压力传感器采用金属波导[10],具有制作过程复杂,成本高,体积较大的缺点。

本文提出的谐振式压力传感器基于基片集成波导和消逝模谐振腔原理,可以将压力信号转化为射频信号输出。SIW是通过介质基片上的金属化通孔阵列所形成的一种新型的波导[11]。SIW的一个非常重要的性质是具有与传统波导相类似的传播特性,电磁场分布基本相近,所以分析方法可采用金属波导方式来处理。与此同时基片介质波导与空气波导相比因采用介质填充,尺寸下降很多,这使其具有结构紧凑,重量轻,体积小等特点。

1 传感器原理与设计

1.1 基片集成波导原理

在基片集成圆柱波导中,结构如图1所示,由于采用金属化过孔阵列构成的波导壁在电磁波传播的垂直方向上是不连续性,会对与传播方向垂直的磁场产生的传播方向上的感应电流产生切断效应,引起强烈的辐射,使其发生很大的衰减,TE波很难形成传播模式[12],所以在基片集成圆柱波导结构中不存在TE模,只有TM模式能够存在,且基模为TM01模。

图1 基片集成圆柱波导结构图

1.2 消逝模谐振腔原理

谐振腔在微波电路中有着广泛的使用,常用于产生微波振荡和微波放大器选频等电路中。常见的是采用金属完全封闭的谐振腔。当在TM01模的腔体中心轴加调谐杆时,这样的腔体一般称为重入式谐振腔,结构如图2所示,由于此类谐振腔的谐振频率低于截止频率,因此也可称为消逝模谐振腔[13]。当调谐内圆柱与外圆柱的间隙g非常小时,谐振腔谐振频率对g变化非常敏感。通过高频仿真软件HFSS(Ansoft High Frequency Structure Simulator)对谐振腔间距g进行仿真,得到结果如图3所示。当H/b<2.04时,腔体中TM010保持为主模[10],场分布具有圆对称性,其电场和磁场分布如图4(a)和图4(b)所示。从图中可以看出圆柱腔中的TM010模的高频电场基本集中在腔体中心轴上,高频磁场主要集中于环形部分。

图4 圆柱谐振腔TM010模

图2 消逝模圆形谐振腔结构

图3 仿真的间隙g与谐振频率和品质因数的关系

1.3 基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器设计

在基片集成圆柱波导的基础上增加调谐内圆柱,在频率一定时可以进一步使谐振腔尺寸缩小形成压力传感器,其结构如图5所示。图中介质板厚度H为1.93 mm,内圆柱高度h为1.524 mm。金属通孔以半径b为9 mm的圆均匀分布,相邻两孔间隔12°,每个金属化通孔直径为0.8 mm。调谐内圆柱半径a为5.6 mm,连接调谐内圆柱和底面接地金属面的中心圆形通孔半径0.5 mm。空腔半径c为7.5 mm。共面波导馈线长度L为12 mm,宽度s为1.2 mm,两缝隙间距离n为2.2 mm。谐振腔通过共面波导线进行激励,共面波导线的横向磁场与谐振腔的磁场线方向一致,因此能够激励起谐振腔,当施加压力时,调谐内圆柱与顶部金属面间距g减小,导致谐振腔谐振频率发生偏移。传感器频率信号通过共面波导线传输出来。

图5 SIW压力传感器几何结构图

图6 敏感膜形变量为40 μm对应的谐振频率变化

通过HFSS对传感器结构进行仿真分析,图6为软件仿真的对应敏感膜形变量为40 μm时传感器谐振频率与回波损耗S11的关系。从图中可以看出谐振频率变化近似线性,灵敏度约为4.75 MHz/μm。

2 压力传感器加工与测试结果

传感器采用印刷电路板技术进行分层加工,总共分为三层,实物图如图7所示。材料采用Rogers 4003C板材,介电常数为3.55,介电损耗角正切为0.002 7。第1层厚度0.203 mm,在其上表面覆铜,刻蚀出共面波导线;第2层厚度为0.203 mm,以板材中心为圆心,切除半径7.5 mm的圆片从而形成压力敏感的空腔;第3层厚度为1.524 mm,上表面用微机械加工的方法挖出0.5 mm厚,内外半径分别为5.6 mm和7.5 mm的环形槽。每层都在相同的位置打出尺寸一致的金属通孔以实现电气连接。用502胶水将各层连接起来,把SMA接头与共面波导线进行焊接。

图7 传感器实物图

将Agilent E5061B网络分析仪通过50 Ω同轴线与传感器连接如图8所示,测试其回波损耗(S11参数)。用艾德堡推力计(量程20 N,精度0.1 N)进行传感器压力测试,每施加1 N的力记录一次。

测试得到的传感器频率与S11的关系如图9所示。从图中可以看出,随着压力的增大,传感器谐振频率逐渐减小,在0～3 N范围内频率变化100 MHz,绝对灵敏度为25 MHz/N。曲线逐渐变得平缓,主要是因为空腔变小导致的Q值降低。对传感器进行重复性实验,通过提取传感器谐振频率峰值,可以得到图10中压力与谐振频率的关系,从图中可以看出传感器初始频率结果比较一致,但重复性不是非常良好,主要是由于推力计本身的误差以及操作误差。传感器初始频率为2.07 GHz,与仿真结果有一定差异,主要原因为采用分层加工,手动粘接的方法,误差比较大,从而导致频率偏移。

图8 常温常压下传感器测试图

图9 压力测试曲线

图10 重复性实验

3 结论

本文设计并制作了一种基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器结构。通过理论分析和HFSS软件仿真确定其尺寸。采用PCB加工,用推力计对传感器进行压力测试,验证了所设计压力传感器的可行性。由于机械误差和操作误差导致传感器重复性并不一致。传感器密封性和结果准确性还有待改进和提高。

[1] Chen G Z,Chan I S,Leung L K K,et al. Soft Wearable Contact Lens Sensor for Continuous Intraocular Pressure Monitoring[J]. Medical Engineering and Physics,2014,36(9):1134-1139.

[2] Fan Z,Zou X,Gao R X,et al. Embedded Capacitive Pressure Sensing for Electrically Assisted Microrolling[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(3):1005-1014.

[3] 文晟,张铁民,卢玉华,等. 基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能器研究[J]. 传感技术学报,2013,9:1303-1308.

[4] Luo T,Tan Q,Ding L,et al. A Passive Pressure Sensor Fabricated by Post-Fire Metallization on Zirconia Ceramic for High-Temperature Applications[J]. Micromachines,2014,5(4):814-824.

[5] Cheng H,Shao G,Ebadi S,et al. Evanescent-Mode-Resonator-Based and Antenna-Integrated Wireless Passive Pressure Sensors for Harsh-Environment Applications[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2014,220:22-33.

[6] 杜志刚,贺学锋. 带谐振腔的微型压电风能采集器[J]. 传感技术学报,2012,6:748-750.

[7] 陈红生. 基于次波长谐振原理的新型压力传感器[J]. 传感技术学报,2010,10:1426-1430.

[8] 郑博仁. 高性能基片集成波导微波滤波器研究[D]. 电子科技大学,2012.

[9] 张帆. 基片集成波导的特性及应用研究[D]. 国防科学技术大学,2010.

[10] Liu X. High-Q RF-MEMS Tunable Resonators and Filters for Reconfigurable Radio Frequency Front-Ends[J]. 2010.

[11] 马笑言. 基于消失模的基片集成波导滤波器的研究[D]. 西安电子科技大学,2013.

[12] Xu F,Wu K. Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(1):66-73.

[13] Gong X,Margomenos A,Liu B,et al. Precision Fabrication Techniques and Analysis on High-QEvanescent-Mode Resonators and Filters of Different Geometries[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(11):2557-2566.

Pressure Transducer Based on Substrate Integrated Waveguide and Evanescent Mode Resonator*

WUGuozhu1,2,TANQiulin1,2*,TANGShun1,2,WEITanyong1,2,XIONGJijun1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The paper demonstrates a new pressure sensing structure based on substrate integrated waveguide(SIW)and evanescent mode resonator is designed with cylindrical air cavity,which makes the frequency of evanescent mode resonator tunable. Coplanar waveguide(CPW)is used as coupling unit to incent the resonator and transmit the output signal. By measuring the return loss(S11)of the sensor,the frequency-pressure characteristic could be obtained. Ansoft High frequency structure simulator(HFSS)is used to simulate and optimize the sensor structure. The dimension of pressure sensor is 30 mm×30 mm×1.93 mm,which reduced much volume compared to the traditional resonator. The material used is Rogers 4003C and then the sensor is fabricated by using PCB technology. A pressure measurement platform is setup to test the sensor. The measured resonant frequency changes 100 MHz at the pressure range of 0～3 N with absolute sensitivity of 25 MHz/N. It appears that the simulated data fits well with the experimental data,which confirms the feasibility of this kind of pressure sensing structure.

pressure sensor;substrate integrated waveguide;evanescent mode resonator;frequency measurement;coplanar waveguide coupling

项目来源:国家自然科学基金项目(61471324);国家杰出青年科学基金项目(51425505);山西省青年拔尖人才支持计划项目

2016-06-29 修改日期:2016-07-27

TP212

A

1004-1699(2017)01-0044-04

C:5180;7310G;5240D

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.009