Caracterização de sensores de concentração salina em água utilizando geometria de anéis fractais em microfita em 2,4 GHz

Abstract

Resumo: Em muitas aplicações, como é o caso das indústrias farmacêuticas e alimentícias, a composição de soluções analíticas deve ser determinada com grande precisão, o que requer o desenvolvimento de sensores adequados. Há diversos métodos disponíveis envolvendo técnicas de medida de condutividade elétrica, refletometria óptica e espectroscopia de massa. A presente dissertação apresenta o estudo e caracterização de sensores de concentração salina em água utilizando estruturas pseudo-fractais em microfita. Sabe-se que as linhas de transmissão em microfita são sensíveis ao meio circundante, enquanto que a geometria fractal tem sido considerada por permitir a otimização da ocupação da superfície disponível para a construção de circuitos ou sensores. A ideia central é construir estruturas fractais em geometria anelar na faixa não licenciada de 2,4 GHz, sensíveis ao meio circundante. A concentração salina é obtida através da medida dos parâmetros de espalhamento (S) da estrutura. Foram concebidas e fabricadas estruturas fractais de ordem 0, 1 e 2, utilizando o substrato dielétrico FR4. Para a obtenção da sensibilidade das estruturas foram preparadas soluções de água saturadas de NaCl com concentrações entre 0% á 90%, e os parâmetros S foram medidos experimentalmente utilizando um Vector Network Analyzer (VNA) modelo E5063A da Keysight, que opera desde 100 kHz até 18 GHz, disponível no Laboratório de Compatibilidade Eletromagnética (LCE) da UFPR. Foi analisado o efeito da concentração salina sobre os parâmetros SX1 e S2 i, tanto na frequência quanto na amplitude. Foi possível concluir que a geometria Fractal, bem como os níveis de solução, interfere na resposta do dispositivo, no entanto não foi possível fazer uma aplicação para sensor, na análise em 2,4 GHz.

Abstract: In many applications, such as the pharmaceutical and food industries, the composition of analytical solutions must be determined with great precision, which requires the development of appropriate sensing devices. There are several methods available, involving electrical conductivity measurement, optical reflectometry and mass spectroscopy techniques. This dissertation presents the study and characterization sensors for determining saline concentration in water solutions using pseudo-fracture structures in microstrip. Microstrip transmission lines are known to be sensitive to their surroundings, while fractal geometry has been considered as a good candidate to allow optimization of the surface occupancy available for the construction of circuits or sensors. The central idea is to construct annular geometry fractal structures in the unlicensed 2,4 GHz range, sensitive to the surrounding environment. Saline concentration is obtained by measuring the scattering parameters (S) of the structure. Fractal structures of order 0, 1 and 2 were designed and manufactured using the FR4 dielectric substrate. To obtain the sensitivity of structures, NaCl saturated water solutions were prepared at concentrations between 0% and 90%, and S parameters were experimentally measured using Keysight's Vector Network Analyzer (VNA) model E5063A, which operates from 100 kHz to 18 GHz, available from UFPR's Electromagnetic Compatibility Laboratory (LCE). The effect of saline concentration on parameter and S21, both in frequency and amplitude, was analyzed. It was possible to conclude that the Fractal geometry, as well as the solution levels, interferes in the device's response, however it was not possible to make an application for sensor, in the 2,4 GHz analysis.