[发明专利]基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水含量测量探头，特别是涉及一种基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头及制作方法，属于传感器设计制造技术领域。

背景技术

随着集成电路制备技术和微机械技术的发展，各种微型传感器已经广泛应用于宇航、汽车工业等众多的科研及民用领域。但是采用集成电路技术和微机械技术制作传感器周期长且费用高。尤其是在电容式传感器制作中，传感器的高精度通常由电容的电容值决定，容值越大的电容式传感器，其精度越高。而使用集成电路技术和微机械技术制作的传感器体积很小，使得内置电容等效平板面积小，这就严重限制了电容的大小。

电容式传感器从原理上可以分为两种，一种为利用正对电场效应制作的传感器，另一种就是利用电场边缘效应制作的传感器。在平行极板电容中，两极板的边缘电场分布于平行极板的两边且电场线是弯曲的，而正对电场分布于平行极板中间且电场线是平行的。

在集成电路薄膜工艺和微机械工艺制作的传感器探头中，大部分是利用正对电场效应制作的，器件的大小会直接约束电容值。在微电子领域，从工艺上，电容可以分为集成电路薄膜工艺制造和微机械工艺制造两种。利用集成电路薄膜工艺制作的电容量级通常在pF级别，一般不用于传感器探头结构的制作，而用于后期的处理电路；微机械工艺制作的电容通常采用三维梳齿状形式，如现有专利文献(CN102064021A)介绍的一种微机械梳齿电容器，其采用三维立体梳齿，由固定梳齿电极和可动梳齿电极组成，可动梳齿电极在固定梳齿电极中来回移动从而改变电容量，其采用的是电容极板的正对电场效应。

综上，采用集成电路薄膜工艺和微机械工艺制备的传感器探头电容值小、精度低且测量范围小，不能满足水含量测量要求的范围广和精度高的要求，再加之集成电路薄膜工艺和微机械工艺制备成本高、周期长，不利于前期传感器的研发。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头及制作方法，不仅低成本、研发周期短、测量范围广、精度高，且具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头，包括依次从上到下设置的高精度检测电容、高介电常数环氧树脂层和恒温控制结构。

其中，所述高精度检测电容包括正负极对状梳齿和绝缘油漆，所述正负极对状梳齿附着在高介电常数环氧树脂层上，并浸没在绝缘油漆中、通过绝缘油漆固定在高介电常数环氧树脂层上；所述正负极对状梳齿包括正电极、负电极、若干个成对的正极梳齿和负极梳齿，所述正极梳齿并联于正电极，所述负极梳齿并联于负电极，所述正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置；所述正电极、负电极、正极梳齿和负极梳齿均采用PCB工艺中的印制覆铜。

本发明进一步设置为：所述高介电常数环氧树脂层采用FR-4材料制成。

本发明进一步设置为：所述恒温控制结构包括绝缘加热片和测温传感器，所述绝缘加热片包括第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片，所述测温传感器包括第一测温传感器和第二测温传感器；所述第一测温传感器位于第一绝缘加热片和第二绝缘加热片之间，所述第二测温传感器位于第二绝缘加热片和第三绝缘加热片之间，所述第一绝缘加热片、第二绝缘加热片和第三绝缘加热片通过加热片导线引出控制。

本发明进一步设置为：所述正极梳齿和负极梳齿均为15个梳齿，每个梳齿的尺寸是长为10mm、宽为0.3mm，相邻梳齿的间隔均为0.6mm。

本发明进一步设置为：所述正极梳齿和负极梳齿均等距交叉设置，正极梳齿和负极梳齿的交叉深度为9.7mm，正极梳齿远离正电极的一端距离负电极边缘为0.15mm，负极梳齿远离负电极的一端距离正电极边缘为0.15mm。

本发明进一步设置为：所述高介电常数环氧树脂层厚度为1.6mm±0.05mm。

本发明还提供一种基于PCB和电场边缘效应的水含量测量探头的制作方法，包括以下步骤：

1)将n个成对的正极梳齿和负极梳齿相互交叉平面设置组成n-1对耦合正负梳齿电容，并将n个正极梳齿的末端并联于正电极、n个负极梳齿的末端并联于负电极，从而形成并联关系的正负极对状梳齿；

通过每一对耦合正负梳齿电容c_c均由正对电场效应电容c_α和边缘电场效应电容c_β组成，计算获得总的检测电容为C_c、总正对电场效应电容为C_α和总边缘电场效应电容为C_β，分别为如下公式，