Rezumat

Proiectul ResoSens propune dezvoltarea unor structuri de senzori rezonanţi cu ghid integrat în substrat (SIW), folosind structuri compuse din circuite SIW cuplate electromagnetic [1] , [2] . Avantajul acestor configuraţii constă în posibilitatea ajustării frecvenţei de rezonanţă a senzorilor prin modificarea valorii unei singure componente din structura acestuia şi chiar acordul electronic continuu al frecvenţei de rezonanţă, fără a fi necesare modificări de layout. Este prevăzută folosirea ca senzori rezonanţi propriu-zişi atât a celor două componente SIW cuplate cât şi a unor traductoare interdigitate asamblate împreună cu acestea, împreună cu straturi subţiri din materiale oxidice, necesare pentru creşterea sensibilităţii.

Desfăşurarea Proiectului ResoSens prevede parcurgerea a două etape. In prima etapă se va investiga potenţialul unei structuri de senzor propusă recent, a cărei configuraţie impune un suport teoretic şi experimental adecvat. De aceea, simulările electromagnetice 3‑D şi verificarea lor pe modele experimentale vor permite îmbunătăţirea noilor circuite. A doua etapă a derulării proiectului are în vedere proiectarea, realizarea şi caracterizarea unui model funcţional de senzor rezonant, precum şi optimizarea caracteristicilor acestuia pentru validarea conceptului propus. Se intenţionează ca senzorii realizaţi să funcţioneze în intervalul 5,15 - 5,725 GHz, specific aplicaţiilor radio nelicenţiate [3].

Obiective

Proiectul ResoSens propune elaborarea unor tehnici de circuit pentru senzori rezonanţi acordabili în frecvenţă folosind ghiduri de undă integrate în substrat (SIW). Obiectivul este justificat de faptul că mijloacele tehnice existente pentru crearea unor circuite SIW acordabile în frecvenţă sunt limitate şi deosebit de complexe, iar utilizarea lor practică în senzori nu este încă implementată. Modelele de senzori propuse vor oferi soluţii flexibile şi fiabile pentru determinarea unor parametri de mediu pentru care încă nu există soluţii tehnice adecvate de măsură de tip RFID.

Investigarea potenţialului real al circuitelor de acord propuse este complexă deoarece se bazează doar pe premize teoretice. De aceea, validarea avantajelor noilor structuri de senzori implică numeroase simulări şi caracterizarea obiectivă a unor modele funcţionale. Confirmarea eficacităţii soluțiilor tehnice propuse pentru senzorii acordabili SIW va fi oferită de realizarea şi caracterizarea comparativă a unui senzor rezonant construit atât în versiune neacordabilă, folosind un model deja prezentat în literatura de specialitate, cât şi ca circuit acordabil.

Soluţii utilizate în prezent

Proprietăţile de material dependente de anumiţi parametri fizici ai mediului înconjurător sunt utilizate în mod curent pentru senzori moderni, performanţi.

Astfel, frecvenţa de rezonanţă a cavităţilor SIW poate fi perturbată prin modificarea caracteristicilor fizice ale unora dintre elementele structurii acestora, sau din cauza variaţiei permitivităţii relative echivalente a materialului dielectric din interiorul SIW prin pătrunderea, parţială, a substanţei analizate în cavitate.

Intr-un prim exemplu, coeficientul de dilatare termică al materialelor ceramice aluminoase a fost utilizat într-un senzor de temperatură pentru condiţii de mediu extreme. Senzorul de temperatură din Fig. 1 [4] constă dintr-o cavitate circulară SIW cuplată electromagnetic prin fantă dreptunghiulară cu un sistem de interogare dedicat. Acest senzor este utilizabil în intervalul de temperaturi 30°C ‑ 1200°C, cu o sensibilitate de aproximativ 0,2 MHz/°C (91 ppm/°C), măsurată la frecvenţa de 2,2 GHz.

 

Principiul de detecție utilizat în senzorii SIW pentru gaze sau substanțe în stare de vapori (analiţi) se bazează pe accesul acestora în cavitatea SIW printr-un număr foarte mare de găuri cu diametru redus. Prezenţa analiţilor în interiorul cavităţii rezonante schimbă frecvența de rezonanță a senzorului datorită variației permitivității echivalente a volumului total de material dielectric din cavitate. Sensibilitatea acestor senzori poate fi îmbunătățită prin depunerea unor straturi de material sensibilizant în interiorul structurii.

Deoarece coeficientul de expansiune termică al substratului dielectric al rezonatorului afectează precizia măsurătorii, cavități suplimentare pot fi asociate cu senzorul principal, atât pentru determinarea temperaturii, cât și pentru corectarea citirii concentrației gazului. Pentru senzorul de hidrogen prezentat în Fig. 2 are o sensibilitate de aproape 6,64% schimbare de frecvență relativă (sau 272,7 MHz) funcționalizată cu micro-pulbere de oxid de staniu (SnO2) [5].

Bibliografie / References

1. V. Buiculescu, R. Rebigan, “Substrate integrated waveguide (SIW) based resonant sensors and methods for resonance frequency tuning of SIW resonant circuits”, Pending Patent A-00575 (Romania), Application date: 19 September 2019

2. V. Buiculescu, A. Nicoloiu, “Substrate integrated waveguide SPST switch with single SMD PIN diode”, Intl. European Microwave Conference - EuMW 2018, 23-28 Sept., Madrid, Spain

3. *** ERC Recommendation 70-03 relating the use of Short Range Devices – SRD

4. Qiulin Tan, Yanjie Guo, Lei Zhang, Fei Lu, Helei Dong, Jijun Xiong, "Substrate integrated waveguide (SIW)-based wireless temperature sensor for harsh environments", Sensors, vol. 18, no. 5, p. 1406, May 2018

5. M. Ndoye, H. El Matbouly, Y.N. Sama, D. Deslandes, F. Domingue. “Sensitivity evaluation of dielectric perturbed substrate integrated resonators for hydrogen detection”, Sens. Actuators A, Phys., vol. 251, pp. 198–206, Nov. 2016