Progettazione e fabbricazione di sensori liquidi dielettrici a microonde utilizzando microstrip invertiti

Dielectric permittivity a fundamental concept of electromagnetic theory, as outlined by Maxwell's equations, most notably Gauss's law and the field response in medium. Permittivity (ε) in media is a quantification of how easily a material can be polarized in the presence of an electric field. Dielectric permittivity not only governs the static field distribution, but also dynamically influences wave behavior in a wide range of applications. This phenomenon is of intrinsic relevance in the design of optical components, radar technology, and the interpretation of biological tissue in medical imaging. In the field of microwave sensing, there are many key factors that must be taken into account to maximize the efficiency of a sensor: among them, there are accuracy, sensitivity, cost of fabrication and physical footprint of the component. This thesis proposes a novel layout for the creation of a dielectric sensor for liquid sensors. The design is inspired from the optical Mach-Zehnder interferometer, using a differential approach to obtain an accurate reading with a simple layout. To improve its sensitivity, the sensor employs the inverted microstrip technology, which allows to better concentrate the electric field inside the sample. Traditionally, resonator-based microwave dielectric sensors require the measurement of a resonant frequency, which can only be done using network analyzers or oscillators with feedback loops. The proposed design can give a reading by measuring the power transmitted through the sensor at a single frequency. This measurement can be done with a single oscillator and a power meter, giving the potential for a great reduction in the complexity and cost of the component and fast, real-time measurement. This thesis focuses on the design of a sensor working a 2.45 GHz, which is an important ISM frequency band with various medical and telecommunication applications The device has been designed to detect the dielectric properties that common liquids and solvents exhibit at this frequency, with εr values ranging from 1 (air, free space) to about 80 (water). The sensor can obtain a reliable reading using a sample from 0.234ml down to 20μl. Physical prototypes have been fabricated and measured to validate the design of the sensor. Supports and sample holders have been created using a combination of traditional PCB technology and 3D printing.

La permittività dielettrica è un concetto fondamentale della teoria elettromagnetica, come delineato dalle equazioni di Maxwell, in particolare dalla legge di Gauss e dalla risposta del campo elettrico nel mezzo. La permittività (ε) nei mezzi è una quantificazione della facilità con cui un materiale può essere polarizzato in presenza di un campo elettrico. La permittività dielettrica non solo regola la distribuzione statica del campo, ma influenza anche dinamicamente il comportamento delle onde in un'ampia gamma di applicazioni. Questo fenomeno è di intrinseca rilevanza nella progettazione di componenti ottici, nella tecnologia radar e nell'interpretazione dei tessuti biologici nell'imaging medico. Nel campo della rilevazione a microonde, sono molti i fattori chiave che devono essere presi in considerazione per massimizzare l'efficienza di un sensore: tra questi, accuratezza, sensibilità, costo di fabbricazione e ingombro fisico del componente. Questa tesi propone un nuovo layout per la creazione di un sensore dielettrico per sensori liquidi. Il design si ispira all'interferometro ottico di Mach-Zehnder, utilizzando un approccio differenziale per ottenere una lettura accurata con un layout semplice. Per migliorare la sensibilità, il sensore utilizza la tecnologia a microstrip invertita, che consente di concentrare meglio il campo elettrico all'interno del campione. Tradizionalmente, i sensori dielettrici a microonde basati su risonatori richiedono la misurazione di una frequenza di risonanza, che può essere effettuata solo utilizzando analizzatori di rete o oscillatori con circuiti di retroazione. Il progetto proposto può fornire una lettura misurando la potenza trasmessa attraverso il sensore a una singola frequenza. Questa misurazione può essere effettuata con un singolo oscillatore e un misuratore di potenza, offrendo il potenziale per una notevole riduzione della complessità e del costo del componente e una misurazione rapida e in tempo reale. Questa tesi si concentra sulla progettazione di un sensore che opera a 2,45 GHz, un'importante banda di frequenza ISM con varie applicazioni mediche e di telecomunicazione. Il dispositivo è stato progettato per rilevare le proprietà dielettriche che liquidi e solventi comuni presentano a questa frequenza, con valori di εr che vanno da 1 (aria, spazio libero) a circa 80 (acqua). Il sensore può ottenere una lettura affidabile utilizzando un campione da 0,234 ml fino a 20 μl. Sono stati realizzati e misurati prototipi fisici per convalidare il design del sensore. Supporti e portacampioni sono stati creati utilizzando una combinazione di tecnologia PCB tradizionale e stampa 3D.