Microwave Dielectrometry Adapted to Environments

Abstract

[ES] La permitividad es una propiedad física de los materiales que describe su comportamiento en presencia de un campo electromagnético. Los sensores de microondas pueden desempeñar un papel esencial en las tareas de detección, supervisión o control de procesos, ya que algunos parámetros fisicoquímicos de los materiales producen cambios medibles en las propiedades dieléctricas. Además, la tecnología de calentamiento por microondas está adquiriendo una relevancia creciente para la transición ecológica y la descarbonización de los procesos industriales, y la permitividad es el parámetro esencial para el desarrollo exitoso de estos nuevos procesos. La permitividad depende de muchos factores, por lo que los métodos de medición de la permitividad deben adaptarse a las necesidades del material y del entorno de medición. El número de aplicaciones que requieren la monitorización o medida de las propiedades dieléctricas, las altas dependencias de esta magnitud bajo diferentes condiciones, y la necesidad de poner esta tecnología al alcance de un usuario más amplio y menos especializado, justifican el desarrollo de este trabajo. Esta tesis pretende desarrollar nuevos dispositivos para la monitorización y caracterización de dieléctricos adaptados a diferentes entornos, cubriendo un amplio rango de formatos, formas y propiedades de los materiales. Las dos primeras publicaciones incluidas en la tesis describen dos enfoques diferentes para abordar las mediciones de permitividad. El primer artículo describe un instrumento versátil, autónomo y fácil de usar para medir la permitividad de materiales dentro de tubos. El diseño de la cavidad logró una excelente sensibilidad, y el estudio de la red de acoplamiento permitió la caracterización de materiales de pérdidas bajas, moderadas y altas con una misma configuración. Este dispositivo incluye un reflectómetro vectorial portátil propio, lo que lo hace portátil y asequible. Las características del instrumento desarrollado permiten un uso sencillo por parte de personal no especializado y proporcionan versatilidad en muchas situaciones. La segunda publicación presenta el diseño específico de una sonda coaxial de extremo abierto con una mayor sensibilidad para determinar la permitividad de productos alimenticios de altas pérdidas en función de la temperatura a frecuencias de RF. Este artículo destaca la importancia de seleccionar la técnica de medición más adecuada, adaptada al entorno y a las particularidades del material, para la determinación apropiada de la permitividad. Los dos artículos siguientes describen el desarrollo y la utilización de un microscopio de microondas de campo cercano con resolución micrométrica para determinar mapas de permitividad de materiales planos heterogéneos a frecuencias de microondas. En ambos trabajos se describen los diferentes elementos que componen el instrumento del microscopio y las técnicas de análisis para determinar los valores de permitividad a partir de las medidas de los parámetros de la resonancia. En el primer trabajo se empleó por primera vez la tecnología de microondas en aplicaciones contra la falsificación, obteniendo la marca dieléctrica de la marca de agua de un billete. Además, este estudio demostró la capacidad de la energía de microondas para detectar marcas ocultas detrás de capas dieléctricas o metálicas, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de elementos de seguridad ópticamente opacos e imposibles de rastrear por medios ópticos. El segundo estudio demuestra la versatilidad de este sistema para determinar las propiedades dieléctricas de materiales planos heterogéneos midiendo la respuesta dieléctrica de especímenes de roca. Los métodos desarrollados en esta tesis aumentan la cartera de sistemas de caracterización dieléctrica y pueden ayudar a una amplia gama de sectores científicos e industriales en las tareas de monitorización y caracterización dieléctrica, haciendo estos trabajos más cómodos y accesibles.

[CA] La permitivitat és una propietat física dels materials que descriu el seu comportament en presència d'un camp electromagnètic. Els sensors de microones poden exercir un paper essencial en les tasques de detecció, supervisió o control de processos, ja que alguns paràmetres fisicoquímics dels materials produeixen canvis mesurables en les propietats dielèctriques. A més, la tecnologia de calfament per microones està adquirint una rellevància creixent per a la transició ecològica i la descarbonització dels processos industrials, i la permitivitat és el paràmetre essencial per al desenvolupament reeixit d'aquests nous processos. La permitivitat depén de molts factors i, per tant, els mètodes de mesurament de la permitivitat han d'adaptar-se a les necessitats del material i de l'entorn de mesurament. El nombre d'aplicacions que requereixen el monitoratge o mesura de les propietats dielèctriques, les altes dependències d'aquesta magnitud sota diferents condicions, i la necessitat de posar aquesta tecnologia a l'abast d'un usuari més ampli i menys especialitzat, justifiquen el desenvolupament d'aquest treball. Aquesta tesi pretén desenvolupar nous dispositius per al monitoratge i caracterització de dielèctrics adaptats a diferents entorns, cobrint un ampli rang de formats, formes i propietats dels materials. Les dues primeres publicacions incloses en la tesi descriuen dos enfocaments diferents per a abordar els mesuraments de permitivitat. El primer article descriu un instrument versàtil, autònom i fàcil d'usar per a mesurar la permitivitat de materials dins de tubs. El disseny de la cavitat va aconseguir una excel·lent sensibilitat, i l'estudi de la xarxa d'acoblament va permetre la caracterització de materials de pèrdues baixes, moderades i altes amb una mateixa configuració. Aquest dispositiu inclou un reflectòmetre vectorial portàtil propi, la qual cosa el fa portàtil i assequible. Les característiques de l'instrument desenvolupat permeten un ús senzill per part de personal no especialitzat i proporcionen versatilitat en moltes situacions. La segona publicació presenta el disseny específic de una sonda coaxial d'extrem obert amb una major sensibilitat per a determinar la permitivitat de productes alimentaris d'altes pèrdues en funció de la temperatura a freqüències de RF. Aquest article destaca la importància de seleccionar la tècnica de mesurament més adequat, adaptada a l'entorn i a les particularitats del material, per a la determinació apropiada de la permitivitat. Els dos articles següents descriuen el desenvolupament i la utilització d'un microscopi de microones de camp pròxim amb resolució micromètrica per a determinar mapes de permitivitat de materials plans heterogenis a freqüències de microones. En tots dos treballs es descriuen els diferents elements que componen l'instrument del microscopi i les tècniques d'anàlisis per a determinar els valors de permitivitat a partir de les mesures dels paràmetres de la ressonància. En el primer treball es va emprar per primera vegada la tecnologia de microones en aplicacions contra la falsificació, obtenint la marca dielèctrica de la marca d'aigua d'un bitllet. A més, aquest estudi va demostrar la capacitat de l'energia de microones per a detectar marques ocultes darrere de capes dielèctriques o metàl·liques, la qual cosa obri noves possibilitats per al desenvolupament d'elements de seguretat òpticament opacs i impossibles de rastrejar per mitjans òptics. El segon estudi demostra la versatilitat d'aquest sistema per a determinar les propietats dielèctriques de materials plans heterogenis mesurant la resposta dielèctrica d'espècimens de roca. Els mètodes desenvolupats en aquesta tesi augmenten la cartera de sistemes de caracterització dielèctrica i poden ajudar a una àmplia gamma de sectors científics i industrials en les tasques de monitoratge i caracterització dielèctrica, fent aquests treballs més còmodes i accessibles.

[EN] Permittivity is a physical property of materials describing their behavior in the presence of an electromagnetic field. Microwave sensors can play an essential role in detecting, monitoring, or process control tasks as some physicochemical parameters of materials produce measurable changes in dielectric properties. Besides, microwave heating technology is gaining increasing relevance for the ecological transition and decarbonization of industrial processes, and permittivity is the essential parameter for the successful development of these new processes. Permittivity depends on many factors and thus, permittivity measurement methods must be adapted to the needs of the material and the measurement environment. The number of applications that require the monitoring or measurement of dielectric properties, the high dependencies of this magnitude under different conditions, and the need to make this technology available to a broader and less specialized user justify the development of this work. This thesis aims to develop new devices for the monitoring and characterization of dielectrics adapted to different environments, covering a wide range of materials' formats, shapes, and properties. The first two publications included in the thesis describe two different approaches to address permittivity measurements. The first paper describes a versatile, stand-alone, and easy-to-use instrument for measuring the permittivity materials inside tubes. The design of the cavity achieved an excellent sensitivity, and the study of the coupling network allowed the characterization of low, moderate, and high-loss materials with the same setup. This device included an in-house portable vector reflectometer, making it portable and cost-affordable. The features of the developed instrument allow straightforward use by non-specialized personnel and provide versatility in many situations. The second publication presents a specific open-ended coaxial design with increased sensitivity to determine the permittivity of lossy food products as a function of temperature at RF frequencies. This paper highlight the relevance of selecting the most suitable measurement technique, adapted to the environment and particularities of the material, for the appropriate determination of permittivity. The following two papers describe the development and use of a near-field scanning microwave microscope with micrometric resolution to determine permittivity maps of heterogeneous planar materials at microwave frequencies. The different elements comprising the microscope instrument and the analysis techniques to determine permittivity values from the resonance measurements were described throughout both works. In the first paper, microwave technology was employed for the first time in anti-counterfeiting applications by obtaining the dielectric mark of a banknote watermark. Besides, this study showed the ability of microwave energy to detect hidden marks behind dielectric or metallic layers, opening new possibilities for developing optically opaque security features untraceable by optical means. The second study demonstrates the versatility of this system in determining the dielectric properties of heterogeneous planar materials by measuring the dielectric response of rock specimens. The methods developed in this thesis dissertation increase the portfolio of dielectric characterization systems and can help a wide range of scientific and industrial sectors in dielectric monitoring and characterization tasks, making these works more convenient and accessible.