微型USB探头：高效便携的解决方案

1）探头制备

在移除金属屏蔽层后，使用公B型微型USB连接器的引脚作为电极（图7.21a、图7.21b）。选择微型USB连接器和电缆的原因包括：（1）USB连接器引脚之间的间距D=600μm，引脚宽度W=250μm，长度L=4～5 mm，因此很适合于亚毫米级空间分辨率，可用于水电导率监测；（2）通过环氧树脂覆盖引脚座可以减少暴露金属的长度，从而获得较小的传感体积，有利于小型USV的部署；（3）USB引脚镀金，因此很适合在海水中长时间操作，有利于海面环境的精准监测；（4）成本非常低，而且可以根据需要定制，提高了USV部署的可行性；（5）电缆中有五个引脚和四根导线，可以进行四极和四线测量；（6）USB电缆的简单易用性，只需轻微修改金属外壳即可拆除。电缆装配成不同长度，长度从几十厘米到几米，并包括编织屏蔽。

USB电缆的四根导线为探头的使用提供了极大的灵活性。如图7.21所示，可以采用四种操作模式。在基本配置中（图7.21c），仅使用两个电极和两根导线。通过使用一端连接到两个电极的所有四根导线，并且在另一端使用四线测量仪器，可以中和寄生导线电阻（图7.21d）。尽管电化学双层CDL在工作频率fprobe处分流，为了补偿界面阻抗，可以使用四个相同的电极（在B型微型USB的可用的五个引脚中）执行完整的四极测量（图7.21e）。最后，如果双线测量足够，可以使用另外两根导线，例如，连接电阻式温度传感器（图7.21f）。显然，当线电阻相对于水和热敏电阻两者都可忽略时，后一种配置是可行的。

图7.21　USB电缆及配置示意图

该探头的电导率范围为σmin=0.1 S／m至σmax=15 S／m（考虑到海洋平均电导率约为4 S／m，盐饱和水达到22 S／m）。对于最简单的配置（图7.22a中所示的双电极探头，在外径为1／4的刚性轴内），等效阻抗模型，如图7.22b所示，对应于标准非法拉第的情况：金属／液体界面由双层电容CDL（特定电容：0.1 pF／μm2，σ=1.5 S／m，并用离子浓度的平方根，即盐度缩放）建模。与CDL串联，溶液电阻RSOL代表测量对象。RSOL取决于电极和电极的几何形状。最后，与CDL-RSOL系列并联，必须考虑由电极和导线之间通过不同介电材料直接耦合产生的杂散电容Cs。

给定这些平行柱电极的共面几何结构，可以通过共形映射来初步估计RSOL，然而，由于三维域（电极厚度与其宽度W相当），建议进行有限元数值模拟，并且必须进行实验表征。在没有将测量的电阻RSOL与几何参数相关联的简单解析表达式中，后者包含在常数K中，使得RSOL=K／σ。K越低，相同σ条件下的测量电流越高。

2）测量

为了提取相关的电极参数K和CDL，在0.02～6.7 S／m的不同溶液中，用Agilent E4980 ALCR仪进行了2 Hz～20 MHz范围内的阻抗谱研究。如图7.22c所示，光谱（对于L=4.5 mm的双电极配置）由三个区域表征，对应于等效电路的三个集总元件的影响（图7.22b）。在低频时，CDL的阻抗占优势，并且可以轻松地计算其值（即使存在电极粗糙度，也会产生恒相元件的伪电容行为，而对于这些电极来说，恒相元件的伪电容行为不是很明显）。当CDL分流时，与RSOL值相对应的电阻稳态主导阻抗。在高频时，通过Cs分流器的附加寄生路径的存在使RSOL分流，从而产生稳态上限的滚降。为了正确测量RSOL，应在稳态区域中选择工作频率fprobe。不幸的是，当σ的值跨越十多（在本例中为三十多）时，稳态位置平移，如图7.22c所示，fprobe应根据σ的值进行理想调整（如图中绿点所示）。为了简单起见，fprobe是固定的红点，电容上的压降会导致一些失真，因此必须找到折中办法。在这种情况下，fprobe最佳频率为100 kHz。

图7.22　电极参数的提取与拟合(www.xing528.com)

K的值从与测量电流相关的点（图7.22d中的绿色方框）的线性拟合中提取的，溶液电导率σ，K=129 m-1。该值可以计算对应于电导率范围的最大和最小的电阻：Rmin=8.6Ω和Rmax=1.3 kΩ。Rmin的值设置电路输入端的最大电流和与离子电阻相关的最大热噪声（44 p A／），从而实现非常高的传感分辨率。事实上，如果测量时间为10 ms且探头电压Vprobe为0.1 V，则积分噪声的标准偏差为4.4 nS／mrms，即小于σmin的2×107倍，表明亚ppm分辨率的可能性，实际上不受电极阻抗的限制。

CDL（根据低频下的频谱计算）的中间值约250 nF。该总电容是每个电极的界面电容的一半，等于两倍的CDL（两者相等且串联），并且与将电极表面乘以比电容所获得的估计一致。电极的最大固有时间常数为τ=Rmax·CDL=325μs，因此提供了亚毫秒速度，足以满足此应用。最后，在这种情况下，从高频区域提取的Cs约等于160 pF，与1 m的电缆长度一致。

图7.22d示出了三阶多项式拟合在固定为100 kHz（红点）的fprobe处探测σ而提取的原始电导值。因此，需要进行三点校准。在这种应用环境中，这种校准是绝对可以接受的，因为电导率和密度之间的关系也是非线性的，并且在用三种已知电导率的溶液进行实验之前需要例行进行三点校准。

3）与其他连接器比较

由上面的结果看来，由微型USB连接器的镀金引脚作为电极可用于高分辨率水电导率传感中，应用在海洋监测方面是可行的。但是，为了能够充分表现该探头在水面环境监测中的优越性，在这里与其他类型的连接器进行了比较。系统表征的定量结果报告见表7.1。在该比较中，将具有裸电极的USB探头（见表7.1a）与其他四种情况进行比较。第一个是微型USB电极（表7.1b），其中没有移除引脚的塑料支架。接下来，考虑用于实现板之间的跳线和连接器的类型的引脚，间距为100 mil（即2.54 mm，SIL100，表7.1c）和50 mil（即1.27 mm，SIL50，表7.1d）。最后，本章还测试了Apple的Lightning迷你连接器（表7.1e）。从结果可以看出，所有这些连接器都适用于电导率传感。为了保持空间分辨率，应该最小化电极尺寸和距离。相反，如果实现更小的fprobe和更大的电流信号，应该最大化电极尺寸和距离，以便增加CDL并减少K。

塑料支架（表7.1b）相对于裸引脚提供了更好的机械稳定性和鲁棒性，同时降低了CDL（136 nF）的值并增加了流体动力学扰动和K（195 m-1）的值。SIL100（表7.1c）和SIL50（d）单列直插式连接器的引脚更坚固，因此不易发生振动。不幸的是，D的值分别增加到2 mm和1 mm。与溶液大面积的接触会增加CDL并降低K。如果不需要亚毫米级空间分辨率，则它们是最佳选择（需要在屏蔽电缆中连接导线），而微型USB电极能提供最佳空间分辨率。Apple Lightning迷你连接器（e）的引脚与微型USB具有相同的D。较小的长度和单侧曝光产生明显较低的CDL（45 nF）和较高的K（396 m-1）。此外，由于在连接器内部插入了一块小板，因此使用它需要更多的根本性修改，例如完全打开，移除PCB并以非常小的间距完全重新焊接。以上这些缺点都表明Lightning连接器不是最佳选择。

表7.1　比较从不同的小型连接器引脚实验提取的参数

最好的选择是裸微型USB引脚，而所有这些电极都可以成功地用于0.1～15 S／m的电导率范围。