基于MEMS多交指芯片的植物油射频检测关键问题研究

植物油的氧化酸败严重影响其营养价值和风味品质，并对人体健康构成威胁。本课题拟使用基于MEMS技术的多交指换能器，设计一种高效、低价、易操作、可定量的植物油快速检测方案。首先采用有限元仿真技术，对食用油中各种酯类大分子、降解产物及外源性掺杂物在多交指结构中的规律进行研究，探讨MEMS测试系统在检测植物油过程中磁场空间分布与干扰现象；进而以植物油成分在该电磁场中不断变化的物理参数为对象，采用非线性拟合算法建立用于植物油成分定量检测的模型；再以相同的物理参数为对象，使用无监督聚类算法建立用于未知掺杂物识别的预警机制模型。将这些模型程序集成到MEMS测试系统中，应用于定量检测和掺杂物识别，建立高效的检测与预警机制，并在实际食品环境中进行验证与推广。采用基于MEMS 多交指技术的检测方法可以对油脂的食用风险进行合理评估，为建立食品安全监测网络和食品安全相关的卫生规范体系提供依据。

本项目主要使用基于MEMS技术和微带线技术来设计多交指换能器，来对植物油的氧化酸败进行测量。在多交指换能器的基础上，整合信号电路和控制电路开发出一种高效、低价、易操作、可定量的植物油快速检测方案。各项研究内容基本按照项目计划进行。首先，研究基于多交指换能器理论，以PCB微带线为出发点，进行预实验，以确定交指换能器相对油脂介电属性变化的可靠性。在验证换能器可靠性的基础上，进行多交指换能器设计。设计主要采用计算机三维仿真，对换能器原型进行分析优化。设计从简单的交指设计模型优化为单极性的单边交指模型。在理论基础上制作出原型机，进一步进行测试，发现电极的宽度，电极的间距是关键因素，这里选择1.2mm电极和6mm电极间距，对应950KHz的频率，可以获得最佳的相位移动信息；基于这一理论，进行微型化设计，通过有限元仿真，对MEMS多交指的关键量进行控制分析，在亚毫米尺度上，对MEMS设计进行优化，最终将电极尺度控制在0.02mm-0.16mm之间。在获得优化传感器设计的基础上，设计信号电路和控制电路，将信号源与信号处理结合起来，进行测试数据采集。具体方法为通过控制对油脂的温度（130C）和紫外线的强度（10mw/cm2），实验室内对油脂进行加速酸败，根据不同的酸败时间进行样品分组。每组样品同时采集相应的LCR数据和多交指传感器数据，将采集的数据建立建模使用的数据库。由于数据之间呈现非线性相关，后期处理采用了神经网路的建模方式，对神经网路进行结构比较，最终定位双层4-1结构。通过反复多次建模验证，获得可靠的数学模型。最后，将测试数据带入模型进行预测，并将结果与LCR数据进行对比，假阳性率低于2%，基本验证这个设计可以在某种程度上对油脂的介电属性进行检测，为油脂的使用风险进行早期检测提供了潜在的技术支持。