[發明專利]基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭及制作方法

在審

• 申請號: 201610338376.2
• 申請日: 2016-05-20
• 公開（公告）號: CN105758902A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 劉恒;阮瑋琪;熊豐;徐佳棋
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 朱妃;董建林

技術領域

本發明涉及一種水含量測量探頭，特別是涉及一種基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭及制作方法，屬于傳感器設計制造技術領域。

背景技術

隨著集成電路制備技術和微機械技術的發展，各種微型傳感器已經廣泛應用于宇航、汽車工業等眾多的科研及民用領域。但是采用集成電路技術和微機械技術制作傳感器周期長且費用高。尤其是在電容式傳感器制作中，傳感器的高精度通常由電容的電容值決定，容值越大的電容式傳感器，其精度越高。而使用集成電路技術和微機械技術制作的傳感器體積很小，使得內置電容等效平板面積小，這就嚴重限制了電容的大小。

電容式傳感器從原理上可以分為兩種，一種為利用正對電場效應制作的傳感器，另一種就是利用電場邊緣效應制作的傳感器。在平行極板電容中，兩極板的邊緣電場分布于平行極板的兩邊且電場線是彎曲的，而正對電場分布于平行極板中間且電場線是平行的。

在集成電路薄膜工藝和微機械工藝制作的傳感器探頭中，大部分是利用正對電場效應制作的，器件的大小會直接約束電容值。在微電子領域，從工藝上，電容可以分為集成電路薄膜工藝制造和微機械工藝制造兩種。利用集成電路薄膜工藝制作的電容量級通常在pF級別，一般不用于傳感器探頭結構的制作，而用于后期的處理電路；微機械工藝制作的電容通常采用三維梳齒狀形式，如現有專利文獻(CN102064021A)介紹的一種微機械梳齒電容器，其采用三維立體梳齒，由固定梳齒電極和可動梳齒電極組成，可動梳齒電極在固定梳齒電極中來回移動從而改變電容量，其采用的是電容極板的正對電場效應。

綜上，采用集成電路薄膜工藝和微機械工藝制備的傳感器探頭電容值小、精度低且測量范圍小，不能滿足水含量測量要求的范圍廣和精度高的要求，再加之集成電路薄膜工藝和微機械工藝制備成本高、周期長，不利于前期傳感器的研發。

發明內容

本發明的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭及制作方法，不僅低成本、研發周期短、測量范圍廣、精度高，且具有產業上的利用價值。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭，包括依次從上到下設置的高精度檢測電容、高介電常數環氧樹脂層和恒溫控制結構。

其中，所述高精度檢測電容包括正負極對狀梳齒和絕緣油漆，所述正負極對狀梳齒附著在高介電常數環氧樹脂層上，并浸沒在絕緣油漆中、通過絕緣油漆固定在高介電常數環氧樹脂層上；所述正負極對狀梳齒包括正電極、負電極、若干個成對的正極梳齒和負極梳齒，所述正極梳齒并聯于正電極，所述負極梳齒并聯于負電極，所述正極梳齒和負極梳齒相互交叉平面設置；所述正電極、負電極、正極梳齒和負極梳齒均采用PCB工藝中的印制覆銅。

本發明進一步設置為：所述高介電常數環氧樹脂層采用FR-4材料制成。

本發明進一步設置為：所述恒溫控制結構包括絕緣加熱片和測溫傳感器，所述絕緣加熱片包括第一絕緣加熱片、第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片，所述測溫傳感器包括第一測溫傳感器和第二測溫傳感器；所述第一測溫傳感器位于第一絕緣加熱片和第二絕緣加熱片之間，所述第二測溫傳感器位于第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片之間，所述第一絕緣加熱片、第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片通過加熱片導線引出控制。

本發明進一步設置為：所述正極梳齒和負極梳齒均為15個梳齒，每個梳齒的尺寸是長為10mm、寬為0.3mm，相鄰梳齒的間隔均為0.6mm。

本發明進一步設置為：所述正極梳齒和負極梳齒均等距交叉設置，正極梳齒和負極梳齒的交叉深度為9.7mm，正極梳齒遠離正電極的一端距離負電極邊緣為0.15mm，負極梳齒遠離負電極的一端距離正電極邊緣為0.15mm。

本發明進一步設置為：所述高介電常數環氧樹脂層厚度為1.6mm±0.05mm。

本發明還提供一種基于PCB和電場邊緣效應的水含量測量探頭的制作方法，包括以下步驟：

1)將n個成對的正極梳齒和負極梳齒相互交叉平面設置組成n-1對耦合正負梳齒電容，并將n個正極梳齒的末端并聯于正電極、n個負極梳齒的末端并聯于負電極，從而形成并聯關系的正負極對狀梳齒；

通過每一對耦合正負梳齒電容c_c均由正對電場效應電容c_α和邊緣電場效應電容c_β組成，計算獲得總的檢測電容為C_c、總正對電場效應電容為C_α和總邊緣電場效應電容為C_β，分別為如下公式，