Differential sensors in substrate integrated waveguide technology loaded with complementary split-ring resonators for liquid characterization

Abstract

This paper presents three low-cost microwave permittivity sensors for dielectric characterization of liquids. The sensors are based on a differential design concept to achieve robust performance in relation to fluctuations of the environmental parameters (humidity and temperature). The three circuits are implemented on substrate integrated waveguide technology loaded with two complementary split ring resonators (CSRRs). By incorporating three plated via-holes between them, the CSRRs can be effectively decoupled while maintaining a compact design. The sensors, operating in C band, are manufactured by laser etching on a standard printed circuit board process using an RO4003C substrate. They have two ports and do not require surface-mount soldering of discrete components. Sensors with different CSRR geometries (rectangular double ring, circular double ring and circular triple ring) are analyzed by electromagnetic simulations and measurements. The measured results show good agreement in comparison to the simulations. Furthermore, the sensing performance is experimentally assessed by applying them to the dielectric characterization of deionized water and ethanol solutions with different concentrations, using capillary glass tubes as sample containers. The highest average measured frequency sensitivity achieved is 12.24 MHz per unit change in real permittivity with the sensor based on circular double ring CSRRs, and it is obtained with a very small liquid sample volume of about 1.5μL.

Este artículo presenta tres sensores de permitividad de microondas de bajo costo para la caracterización dieléctrica de líquidos. Los sensores se basan en un concepto de diseño diferencial para lograr un rendimiento robusto en relación con las fluctuaciones de los parámetros ambientales (humedad y temperatura). Los tres circuitos se implementan en tecnología de guía de ondas integrada de sustrato cargada con dos resonadores de anillo dividido complementarios (CSRR). Al incorporar tres orificios pasantes chapados entre ellos, los CSRR se pueden desacoplar de manera efectiva manteniendo un diseño compacto. Los sensores, que funcionan en banda C, se fabrican mediante grabado láser en un proceso de placa de circuito impreso estándar utilizando un sustrato RO4003C. Tienen dos puertos y no requieren soldadura de montaje superficial de componentes discretos. Sensores con diferentes geometrías CSRR (doble anillo rectangular, doble anillo circular y triple anillo circular) se analizan mediante simulaciones y mediciones electromagnéticas. Los resultados medidos muestran una buena concordancia en comparación con las simulaciones. Además, el rendimiento de la detección se evalúa experimentalmente aplicándolos a la caracterización dieléctrica de soluciones de agua desionizada y etanol con diferentes concentraciones, utilizando tubos capilares de vidrio como recipientes de muestra. La sensibilidad de frecuencia medida promedio más alta alcanzada es de 12,24 MHz por unidad de cambio en permitividad real con el sensor basado en CSRR de doble anillo circular, y se obtiene con un volumen de muestra de líquido muy pequeño de aproximadamente 1,5 μL.