基于可降解基底的裂环谐振器微波传感器在介电特性表征中的应用研究

本研究针对传统微波传感器环境不友好、成本高的问题，开发了一种基于可降解纤维素乙酸酯（CA）基底和印刷银墨的裂环谐振器（SRR）微波传感器，用于固体材料的介电特性表征。通过优化馈线位置和环几何形状，传感器在2.5 GHz下实现了0.687%的平均灵敏度，相对介电常数和损耗角正切测量误差分别低至1.18%和3.91%，为可持续微波传感提供了高性能解决方案。

　　

在环境可持续性成为全球焦点的今天，传统微波传感器的弊端日益凸显——它们通常采用不可降解的玻璃纤维基板（如Rogers或FR4），不仅回收困难，还会造成环境污染。与此同时，现有传感器对材料介电特性（如相对介电常数ε_r和损耗角正切）的测量往往受限于样本厚度和制备复杂度。如何开发一种既环保又高性能的微波传感器，成为学术界和工业界亟待解决的难题。

加拿大国家研究委员会（NRC）资助的研究团队另辟蹊径，将目光投向了一种名为纤维素乙酸酯（CA）的可降解材料。这种源自植物的基底不仅成本低廉（仅为传统材料的1/20至1/150），还能与印刷电子技术完美兼容。研究人员通过系统优化裂环谐振器（Split Ring Resonator, SRR）的几何结构和馈线位置，成功研制出工作频率为2.5 GHz的平面传感器。当被测材料（MUT）覆盖谐振器裂口时，其介电特性会扰动电磁场，导致谐振频率和插入损耗S₂₁幅值的变化——这正是传感器实现高精度测量的物理基础。

关键技术方法
研究采用有限元法（FEM）在Ansys HFSS平台进行仿真设计，通过V-One PCB打印机在CA基底上印刷银墨（导电率2.7×10⁶ S/m）形成谐振器图案。利用轮廓仪测量墨层厚度，四探针法测定导电率。实验验证时，将不同厚度（0.5-5 mm）的固体样品（如Roger板材、FR4等）置于裂口区域，通过矢量网络分析仪记录频率偏移和S₂₁变化。

研究结果

1. 裂环谐振器设计原理：通过调整馈线与裂口的相对位置，发现当裂口正对馈线时，电场集中效应最强，灵敏度提升显著。环形结构产生的驻波分布使谐振频率与环周长呈反比。

2. 传感器性能验证：对于厚度<1.5 mm的样品，谐振频率与S₂₁幅值随厚度线性变化；当厚度>4 mm时趋于稳定。建立的拟合模型对ε_r和损耗角正切的平均绝对误差分别仅为1.18%和3.91%。

3. 横向对比优势：在ε_r=2-3.2范围内，传感器平均灵敏度达0.687%，优于多数文献报道的同类设计（如双环SRR、螺旋SRR等）。

4. 扩展应用潜力：通过集成微流控通道（如PDMS），该传感器可拓展至液体和半固体检测，为食品质量监测、生物传感等领域提供可能。

结论与意义
这项发表于《Sensors and Actuators A: Physical》的研究，首次将可降解基底与印刷电子技术结合应用于微波传感领域。S.M. Ishraqul Huq等学者不仅解决了传统传感器环境不友好的痛点，还通过结构优化实现了0.687%的高灵敏度——这一指标甚至超越了部分非降解基底的传感器。更值得关注的是，该技术将单件传感器的制造成本控制在极低水平，且能适应柔性穿戴设备的集成需求。

从长远来看，这项研究为"绿色电子"提供了范式转移：既证明了生物基材料在精密测量中的可行性，也展示了印刷技术替代传统微加工的潜力。未来，通过优化CA基底的机械强度和防潮性能，这类传感器有望在医疗诊断、环境监测等领域实现规模化应用，真正实现"从实验室到田间"的技术跨越。