專(zhuān)利名稱(chēng)：基于mems技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用不同鹽度下檢測(cè)電極對(duì)輸入微波信號(hào)的反射系數(shù)不同，通過(guò)MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)測(cè)量反射信號(hào)的功率變化得到鹽溶液的鹽度值，屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，高速公路建設(shè)的規(guī)模十分巨大，因此大量公路路面的監(jiān)測(cè)和維護(hù)日益重要。公路路面在實(shí)際的使用過(guò)程中，路面結(jié)冰會(huì)對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，并極大的 增大了交通事故的發(fā)生幾率。鹽度檢測(cè)傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量路面積水中除冰劑(主要成分是氯化鈣、氯化納、氯化鎂等)的濃度和積水的結(jié)冰點(diǎn)，從而對(duì)公路路面的結(jié)冰溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和預(yù)警，因此對(duì)于高速公路系統(tǒng)的信息化和智能化以及交通事故的預(yù)防預(yù)警有著十分重要的意義。目前測(cè)量鹽度的技術(shù)是基于相位檢波法、雙脈沖法、動(dòng)態(tài)脈沖法和頻率法的原理實(shí)現(xiàn)，其核心就是用脈沖或者正弦波信號(hào)加載到電導(dǎo)池電極上，通過(guò)對(duì)不同濃度鹽溶液中電導(dǎo)率變化的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)鹽度值的測(cè)量。但是，由于鹽溶液的等效電路為電阻和電容的并聯(lián)，在上述檢測(cè)方法中核心是檢測(cè)鹽溶液電導(dǎo)率的變化，因此需要將鹽溶液電容效應(yīng)的影響降到最低，然而，由于電容效應(yīng)的復(fù)雜性，使得其很難消除，且增加了整個(gè)電路的復(fù)雜性和響應(yīng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器及其檢測(cè)方法，應(yīng)用發(fā)明的傳感器可以消除電容效應(yīng)對(duì)檢測(cè)的影響，提高傳感器的靈敏度、效應(yīng)速度、可靠性并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，解決在檢測(cè)方法、復(fù)雜性、可靠性和生產(chǎn)成本等諸多方面的問(wèn)題，從而為實(shí)現(xiàn)基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器在路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了支持和保證。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器，該傳感器包括微波信號(hào)源、環(huán)形電橋、傳感電極以及第一 MEMS終端式微波功率傳感器和第二 MEMS終端式微波功率傳感器；環(huán)形電橋設(shè)有四個(gè)端口，即第一端口，第二端口，第三端口，第四端口 ；
微波信號(hào)源連接到環(huán)形電橋的第一端口，傳感電極連接到環(huán)形電橋的第二端口，第一MEMS終端式微波功率傳感器和第二 MEMS終端式微波功率傳感器分別連接到環(huán)形電橋的第三端口和第四端口。優(yōu)選的，第一 MEMS終端式微波功率傳感器和第二 MEMS終端式微波功率傳感器用于實(shí)現(xiàn)輸入微波信號(hào)和反射微波信號(hào)的功率值測(cè)量和比較。本發(fā)明還提供了一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟微波信號(hào)源產(chǎn)生微波信號(hào)，并將微波信號(hào)通過(guò)第一端口傳送到環(huán)形電橋，微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形電橋分配后分別經(jīng)過(guò)第二端口和第四端口傳送到傳感電極和第二 MEMS終端式微波功率傳感器，由于傳感電極感應(yīng)到的不同濃度鹽溶液的等效并聯(lián)電阻和電容值不同，因此傳送到傳感電極的微波信號(hào)的反射系數(shù)會(huì)隨著鹽溶液濃度的不同而改變，被傳感電極反射回的微波信號(hào)再次經(jīng)過(guò)環(huán)形電橋通過(guò)第三端口傳送到第一 MEMS終端式微波功率傳感器，通過(guò)比較第一 MEMS終端式微波功率傳感器和第二 MEMS終端式微波功率傳感器測(cè)量到的信號(hào)功率值實(shí)現(xiàn)鹽度值的檢測(cè)。有益效果長(zhǎng)期以來(lái)由于受檢測(cè)方法的限制，鹽度檢測(cè)傳感器在檢測(cè)過(guò)程中受到電容效應(yīng)的影響，大大增加了檢測(cè)電路的復(fù)雜性并降低了響應(yīng)速度。本發(fā)明中的基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器，突破了傳統(tǒng)鹽度檢測(cè)方法的電導(dǎo)率測(cè)量和電容效應(yīng)的思維限制，尋找到了同時(shí)利用電阻和電容的變化加以檢測(cè)的方法，并通過(guò)MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量，使得鹽度檢測(cè)傳感器的靈敏度、復(fù)雜性、響應(yīng)速度和可靠性都有了較大的改善。


圖I是基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器的組成結(jié)構(gòu)圖。·其中有微波信號(hào)源102、環(huán)形電橋101、傳感電極104以及第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032 ;環(huán)形電橋設(shè)有四個(gè)端口，即第一端口 1，第二端口 2，第三端口 3，第四端口 4 ；
圖2是環(huán)形電橋和MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。其中有環(huán)形電橋101、第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032，環(huán)形電橋第一端口 1，第二端口 2，第三端口 3，第四端口 4，匹配電阻rl和熱電推el。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖I 一 2，本發(fā)明提供的基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器包括微波信號(hào)源102、環(huán)形電橋101、傳感電極104以及第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032 ;環(huán)形電橋101設(shè)有四個(gè)端口，即第一端口 1，第二端口 2，第三端口 3，第四端口 4;
微波信號(hào)源102連接到環(huán)形電橋101的第一端口 I，傳感電極104連接到環(huán)形電橋101的第二端口 2，第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032分別連接到環(huán)形電橋101的第三端口 3和第四端口 4。第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032用于實(shí)現(xiàn)輸入微波信號(hào)和反射微波信號(hào)的功率值測(cè)量和比較。本發(fā)明還提供了一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)方法，該方法包括如下步驟微波信號(hào)源102產(chǎn)生微波信號(hào)，并將微波信號(hào)通過(guò)第一端口 I傳送到環(huán)形電橋101，微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形電橋101分配后分別經(jīng)過(guò)第二端口 2和第四端口 4傳送到傳感電極104和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032，由于傳感電極104感應(yīng)到的不同濃度鹽溶液的等效并聯(lián)電阻和電容值不同，因此傳送到傳感電極104的微波信號(hào)的反射系數(shù)會(huì)隨著鹽溶液濃度的不同而改變，被傳感電極104反射回的微波信號(hào)再次經(jīng)過(guò)環(huán)形電橋101通過(guò)第三端口 3傳送到第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031，通過(guò)比較第一 MEMS終端式微波功率傳感器1031和第二 MEMS終端式微波功率傳感器1032測(cè)量到的信號(hào)功率值實(shí)現(xiàn)鹽度值的檢測(cè)。應(yīng)用本發(fā)明中的基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)鹽度檢測(cè)模塊在路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本發(fā)明利用被檢測(cè)鹽溶液中等效并聯(lián)電阻和電容值的變化實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)反射系數(shù)變化的檢測(cè)方法和MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，解決了鹽溶液中電容效應(yīng)對(duì)檢測(cè)的各種不利影響，并具有高的可靠性、高的重復(fù)性、優(yōu)異的性能、快的響應(yīng)速度、小的體積、低的生產(chǎn)成本等特點(diǎn)。本發(fā)明中的基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器不同于上述 利用電導(dǎo)率的檢測(cè)方法，其利用不同濃度鹽溶液對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納(包括電阻和電容)對(duì)微波信號(hào)不同的反射系數(shù)，通過(guò)MEMS終端式微波功率傳感器檢測(cè)被反射的微波信號(hào)功率的大小，從而得到鹽度值。相比而言，基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器具有以下主要特點(diǎn)一、本檢測(cè)方法由于自身就考慮到了鹽溶液中電容效應(yīng)的影響，所以不需要復(fù)雜的電路以消除電容效應(yīng)；二、本檢測(cè)方法具有快的響應(yīng)速度；三、MEMS終端式微波功率傳感器具有靈敏度高、線(xiàn)性度好、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，這使得整個(gè)鹽度檢測(cè)傳感器具有高性能的同時(shí)降低了整個(gè)器件的復(fù)雜性，從而極大提高其可靠性和一致性，并降低了成本；四、本發(fā)明由于采用MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，因此體積較小?；谝陨咸攸c(diǎn)，很明顯的可以看出本發(fā)明很好的解決了上文中提及的鹽溶液中電容效應(yīng)對(duì)檢測(cè)的各種不利影響，并具有高的可靠性、高的重復(fù)性、優(yōu)異的性能、快的響應(yīng)速度、小的體積、低的生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，很好的滿(mǎn)足了路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)中對(duì)鹽度檢測(cè)傳感器模塊的基本要求。因此，基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器具有較好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)潛力。區(qū)分是否為該傳感器的標(biāo)準(zhǔn)如下
Ca)采用環(huán)形電橋進(jìn)行微波信號(hào)的分配，
(b)采用感應(yīng)鹽溶液導(dǎo)納變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法，
(C)采用MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)檢測(cè)微波信號(hào)功率值。滿(mǎn)足以上三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)即應(yīng)視為該基于MEMS終端式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)的鹽度檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器,其特征在于該傳感器包括微波信號(hào)源(102)、環(huán)形電橋(101 )、傳感電極(104)以及第一 MEMS終端式微波功率傳感器(1031)和第二 MEMS終端式微波功率傳感器(1032);環(huán)形電橋(101)設(shè)有四個(gè)端口，即第一端口( I )，第二端口(2)，第三端口(3)，第四端口(4)； 微波信號(hào)源(102)連接到環(huán)形電橋(101)的第一端口(1)，傳感電極(104)連接到環(huán)形電橋(101)的第二端口(2)，第一 MEMS終端式微波功率傳感器(1031)和第二 MEMS終端式微波功率傳感器(1032)分別連接到環(huán)形電橋(101)的第三端口(3)和第四端口(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器,其特征在于第一MEMS終端式微波功率傳感器(1031)和第二 MEMS終端式微波功率傳感器(1032)用于實(shí)現(xiàn)輸入微波信號(hào)和反射微波信號(hào)的功率值測(cè)量和比較。
3.一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)方法，其特征在于該方法包括如下步驟微波信號(hào)源(102)產(chǎn)生微波信號(hào),并將微波信號(hào)通過(guò)第一端口(I)傳送到環(huán)形電橋(101),微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形電橋(101)分配后分別經(jīng)過(guò)第二端口(2)和第四端口(4)傳送到傳感電極(104)和第二 MEMS終端式微波功率傳感器(1032)，由于傳感電極(104)感應(yīng)到的不同濃度鹽溶液的等效并聯(lián)電阻和電容值不同，因此傳送到傳感電極(104)的微波信號(hào)的反射系數(shù)會(huì)隨著鹽溶液濃度的不同而改變，被傳感電極(104)反射回的微波信號(hào)再次經(jīng)過(guò)環(huán)形電橋(101)通過(guò)第三端口(3)傳送到第一 MEMS終端式微波功率傳感器(1031)，通過(guò)比較第一 MEMS終端式微波功率傳感器(1031)和第二 MEMS終端式微波功率傳感器(1032)測(cè)量到的信號(hào)功率值實(shí)現(xiàn)鹽度值的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)傳感器，微波信號(hào)源(102)連接到環(huán)形電橋(101)的第一端口(1)，傳感電極(104)連接到環(huán)形電橋(101)的第二端口(2)，第一MEMS終端式微波功率傳感器(1031)和第二MEMS終端式微波功率傳感器(1032)分別連接到環(huán)形電橋(101)的第三端口(3)和第四端口(4)。本發(fā)明還提供了一種基于MEMS技術(shù)的鹽度檢測(cè)方法。本發(fā)明解決了鹽溶液中電容效應(yīng)對(duì)檢測(cè)的各種不利影響，并具有高的可靠性、高的重復(fù)性、優(yōu)異的性能、快的響應(yīng)速度、小的體積、低的生產(chǎn)成本等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N22/00GK102680499SQ20121013358
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者殷剛毅, 韓磊, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)