[發明專利]用于測量固體和液體對象構成的阻抗傳感系統及方法

有效

• 申請號: 201080047815.5
• 申請日: 2010-09-22
• 公開（公告）號: CN102575998A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 鮑里斯·凱斯爾;尤里·尼科列諾克
• 申請（專利權）人: ADEM有限公司
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02
• 代理公司: 北京信慧永光知識產權代理有限責任公司 11290
• 代理人: 陳桂香;武玉琴

相關申請

本申請要求2009年9月22日提交的標題為“Impedance?sensors?and?their?use?for?analyzing?object’s?compositions”的第61/244,584號美國臨時專利申請的優先權，該臨時申請的全部內容通過引用并入本文。

聯邦政府資助研究聲明

不適用

微縮膠片附錄參考

不適用

技術領域

本發明涉及一種極靈敏的新型電子傳感器，其能夠測量物理特性，探測和量化固體、散裝物料和液體的構成。更具體的，在大多數應用阻抗諧振譜(impedance?resonance?spectroscopy)的環境條件下，無論材料的導電性、透明度和反射率如何，該新型傳感器技術都能夠為該材料組分的測量、探測及量化提供新型實時非接觸式方法。

發明簡述

一種電諧振傳感器，其能夠用于本設計傳感器的類似傳感器陣列中，其中各個傳感器包括兩個線圈，其中一個線圈為勵磁線圈，而另一線圈為感應線圈并且與測試對象電磁耦合，該電諧振傳感器工作在預設諧振頻率下，該預設諧振頻率選擇為用于在射頻范圍(RF)中提供傳感器指示與目標參數的強相關性；使用所述傳感器實時測量測試對象的物理特性和/或組分的方法不需要接觸。

背景技術

人類社會在不斷尋求能夠實時無接觸地監控眾多工藝流程、環境、食品加工、公共安全和醫療過程的造價低廉的通用技術。例如，半導體和光伏產業在集成電路(IC)、平板顯示器和太陽能電池板的整個制造過程中需要先進的流程監控設備。從測量裸晶圓和其它基板的特性開始，到各種沉積和拋光處理過程中膜厚度的監控，以及最后的IC測試，都需要持續的過程監控和測量。在農業、食品、化工和制藥行業，人們對利用傳感技術監控有機和無機材料、液體的不同物理特性以及自然界內眾多構成的組分感興趣。本發明涉及一種極靈敏的新型傳感器系統，該傳感器系統是一種新測量方法的核心，該測量方法適用于包括導體、半導體和絕緣材料的廣泛范圍。

發明內容

一個方面，本發明提供一種諧振型阻抗傳感器，該諧振型阻抗傳感器為多線圈開口芯(open-core)電感器或多線圈空芯(air-core)電感器。該傳感器包括至少兩個線圈，一個線圈為可連接到至少一個具有掃頻的交流電流源的勵磁線圈，另一個線圈為可連接到至少一個數據處理系統的感應線圈，其中基于與所述電流源的電連接，所述勵磁線圈向所述感應線圈傳送能量，所述感應線圈生成探測電磁場，同時，其中所述感應線圈的L、C、R參數能夠為測量測試對象在預設頻率下的阻抗提供諧振條件。本發明提供并考慮各種實施例及其變型。

另一個方面，本發明提供用于非接觸且非介入式(non-invasive)測量和分析氣體、液體和固體的目標化學及物理特性的阻抗傳感系統，所述系統包括：(A)至少一個上述諧振型阻抗傳感器；(B)至少一個具有掃頻的交流電流源，其電連接到所述至少一個勵磁線圈；(C)所述至少一個數據處理系統，其與所述至少一個感應線圈通信連接，其中所述感應線圈的L、C、R參數能夠為測量測試對象在預設頻率下的阻抗提供諧振條件；(D)控制系統，其與所述交流電流源和所述數據處理系統通信連接。本發明提供各種實施例及其變型。

而再一個方面，本發明提供一種通過諧振型阻抗傳感器來測量對象的化學和物理特性的方法，所述方法包括：

(A)測量所述傳感器的自諧振頻率和振幅；

(B)放置包括至少一種分析物的測試對象；

(C)在存在所述測試對象的情況下測量傳感器諧振頻率和振幅；

(D)計算由所述傳感器和對象之間的電磁作用引起的振幅和諧振頻率變化，從而確定所述測試對象的阻抗；以及

(E)將所述阻抗與預設校準數據匹配，以確定所述測試對象的所述化學或物理特性。優選的阻抗傳感器是如本發明傳感器方面所述的傳感器。

通常需要非破壞性非接觸式現場測量和/或控制各種多組分液體(例如水、血液、泥漿、不同溶劑等)以及需要對所述液體的金屬、有機和無機污染進行監測。這在許多行業(包括化工、半導體、制藥、醫學、農業，食品加工等)的多種技術處理中是很常見的任務。所提出的系統和方法不僅能夠在單組分結構和流體中檢測到極細微變化，還能夠在大多數多組分材料、多層結構和具有經溶解和/或均質化的構成的液體中檢測到。

本發明針對的是包括一個阻抗式傳感器或阻抗式傳感器陣列(群)的傳感系統(設備)，所述傳感系統能夠主要通過測試對象中的諧振高頻電磁場產生非接觸式探測，并且能夠分析復雜對象對所述傳感器探測磁場的響應。