A Study on the Measurement of Dielectric Constant using Doubly Coupled Ring Resonators

Abstract

유전체는 5G 통신, 반도체 등 전자산업에서 절연, 에너지 저장 등의 용도로 사용되는 전자재료이다. 또한, 화학, 의료, 안전 등 다양한 분야에서도 유전율의 변화를 감지하는 센서는 측정대상의 상태를 점검·감시하기 위해 사용된다. 유전율을 측정하는 방법은 어드미턴스 셀 측정법, 반사전송 측정법, 동축형 프로브 측정법, 공진 측정법 등이 있다. 마이크로스트립 평면 센서는 다른 측정법에 비해 경제적이며 제작과 소형화가 용이하다는 장점으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 이중 결합 선로를 가지는 마이크로스트립 링 공진기 기반의 센서를 이용하여 유전율을 측정하는 방법을 제안한다. 제안하는 센서는 1 GHz의 공진 주파수에서 동작하도록 설계되었다. 이중 결합 선로를 이용하여 공진기와 선로 사이의 결합을 강화해, S-파라미터 및 감도를 개선하도록 센서를 설계하였다. 실제 제작된 센서의 공진 주파수에서 S11은 –7.27 dB, S21은 –6.22 dB로 측정되었다. 표준물질 3종을 이용하여 교정 곡선을 산출하였으며, 감도는 약 2.91 %이다. SPDR(Split Post Dielectric Resonator)을 사용하여 동일시료를 비교했을 때 센서의 측정 오차는 약 1.56 %임을 알 수 있었다.|Dielectric materials are used for insulation, energy storage in electronic industries such as 5G communication and semiconductors. In addition, sensors that detect changes in permittivity in various fields such as chemistry, medical care, and safety are used to monitor various objects such as oils, food, blood glucose and moisture. Methods for measuring permittivity include admittance cell methods, transmission/reflection methods, coaxial probe methods, and resonant methods. Microstrip planar sensors are economical compared to other measurement methods and they are advantageous in miniaturization and manufacturing, so many studies on microstrip-based sensors have been published. This paper proposes a method for measuring dielectric constant using sensors based on doubly coupled ring resonators. The proposed sensor is designed to operate at a resonant frequency of about 1 GHz. The sensor was designed to improve S-parameters and sensitivity by strengthening the coupling between the ring resonator and the feed lines using doubly coupled lines. The measured S-parameters of the sensor manufactured were S11 of –7.27 dB, S21 of -6.22 dB. And the sensitivity of the sensor was about 2.91%. The calibration curve was calculated using three types of reference materials. The measurement error of the sensor was found to be about 1.56%. SPDR(Split Post Dielectric Resonator) was used for comparative testing.