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    氧化鋁陶瓷無線無源濕度傳感系統的制備

    發布日期:2018年6月13日

    通過濕度感應技術與近場電磁耦合原理相結合,構成了基于氧化鋁陶瓷的無線無源濕度傳感系統。此傳感器包含又指電容與電感線圈構成的LC諧振電路和由聚酰亞胺薄膜構成的濕敏結構。當聚酰亞胺薄膜吸收水分子后,聚酰亞胺和水組成的復合體系的介電常數發生變化,導致LC電路的諧振頻率發生改變,通過讀取天線將傳感器頻率信號讀取出來。搭建濕度測試平臺對傳感器進行測試,結果表明傳感器的諧振頻率隨著密閉環境中空氣濕度的線性增大而呈線性減小的趨勢。當濕度從50%RH變化到88%RH的時候,傳感器諧振頻率從113.7121MHz變化到92.3115MHz,靈敏度為0.545MHz/%RH。

    濕度是空氣中含有水蒸氣的量的一種重要標志,它與人類的生活息息相關。隨著科學技術的進步和工農業生產的發展,人類開始意識到對濕度進行測量和監控的重要性。1991年Sakai等提出了一種交聯PMMA電容式濕度傳感器,1995年Sakai等人接著用聚砜類物質作為濕敏材料,制造出了能夠在高溫高濕環境下工作,并且具有良好重復性和穩定性的濕度傳感器。Yang等人利用聚乙烯醇作為添加物,研究出了高靈敏度的電容性濕度傳感器。我國的濕度傳感器發展的比較落后,直到80年代,采用高分子感濕材料的傳感器才在我國發展起來。2009年,彭振康等制備了一種靈敏度高、濕滯性小、效應速度快的厚膜濕敏元件。2010年李揚等用聚季胺鹽作為感濕材料,制備了一種響應速度快、靈敏度高的高分子濕敏元件。2011年,王良璧等用聚酰亞胺當感濕材料,制備了微型濕敏元件。近年來,東南大學設計的新型CMOS兼容的濕度傳感器在濕度測量上取得了很大的突破,但長時間使用其穩定性有待提高。現代的濕度傳感器種類很多,按濕敏材料的不同可以大致分為3類:電解質濕度傳感器、半導體陶瓷濕度傳感器、有機高分子聚合物傳感器。但是,目前國內大部分環境監測使用的濕度傳感器都是有線有源的,這種傳感器不僅體積較大、成本較高、制作復雜,且必須有線有源才能正常工作,其應用范圍和使用壽命受到很大限制。傳統的濕度傳感器由于其濕敏材料和制備工藝的限制,已不能滿足生產生活的需求,設計和研究無線無源濕度傳感器,成為濕度傳感器未來發展的重要方向。

    1傳感器基本原理

    1.1濕度敏感原理

    基于氧化鋁陶瓷無線無源濕度傳感器采用聚酰亞胺薄膜作為濕敏材料。聚酰亞胺在-200~260℃的范圍內具有穩定的化學性能、物理性能及介電性能;同時具有耐高溫、耐輻射、耐磨、尺寸穩定、易于改性等特點。聚酰亞胺的介電常數約為2.9左右,蒸餾水的介電常數約為76.7,當環境中水分子的濃度發生改變時,聚酰亞胺薄膜吸附的水分子量變化,導致其介電常數改變。當聚酰亞胺吸收水分子后,根據Looyenga關系式,可得到聚酰亞胺和水組成的復合體系的介電常數表達公式。

    由以上公式可以計算出在不同溫度范圍內復合體系的介電常數。隨著環境中濕度的變化,又指電容值會相應的變化,其計算公式表示如下

    式(3)中,Wgap為又指電極間距,n為又指電極總數,l為又指電極長度,ε為復合物(感濕層吸收水分后的混合物)的介電常數,hfinger為又指電極厚度。從而,根據式(1)和式(3),可以得到濕度傳感器的電容值(圖1)。

    1.2信號讀取原理該傳感器的等效電路模型可以簡化為電容Cs、電阻Rs、電感Ls組成的串聯回路。傳感器諧振頻率f可表示為

    式中,Q表示傳感器的品質因子。為了和濕度傳感器進行無線耦合,需要一個帶有讀取天線的測試電路,其等效電路如圖2所示。當讀取天線發射掃頻信號時,當掃頻信號的某一頻率和傳感器諧振頻率相等時,傳感器電路發生諧振,天線的阻抗信號(包括實部、虛部、振幅、相位)將會發生變化。通過提取天線的阻抗信號就能獲取傳感器的諧振頻率值。

    2傳感器的制備

    傳感器制備過程主要分為四步,首先采用絲網印刷技術在氧化鋁陶瓷上用無鉛鋁漿印刷設計好的電感線圈和又指電容圖形;然后在高溫爐中對印刷好的圖形按照燒結曲線進行燒結;接著利用勻膠機在又指電容和電感線圈表面旋涂一層均勻的聚酰亞胺薄膜;最后在氮氣氣氛中對聚酰亞胺薄膜層進行亞胺化處理。具體的制備流程如圖3所示。

    3測試及結果分析

    圖4為搭建的濕度傳感器測試平臺。該平臺由密封箱、加濕器、濕度記錄儀、電腦和網絡分析儀組成。加濕器、傳感器、天線和濕度記錄儀放置在密封箱內,電腦與濕度記錄儀相連,實時監測溫度和濕度的變化。天線放置在濕度傳感器正上方10mm處,并且與外界的網絡分析儀相連。

    用HFSS仿真得出傳感器的諧振頻率為114MHz,測得濕度傳感器實際的諧振頻率為113.7121MHz,兩者結果基本吻合,說明了設計的可行性。圖5所示為濕度傳感器的諧振頻率隨著濕度變大而呈線性減小。圖6為傳感器諧振頻率和濕度線性擬合的曲線,當濕度從50%RH變化到88%RH的時候,傳感器諧振頻率從113.7121MHz變化到92.3115MHz,靈敏度為0.545MHz/%RH。同時,研究了溫度對濕度傳感器諧振頻率的影響,如圖7所示,從圖中可以看出當溫度從30℃變化到160℃的時候,諧振頻率大約變化了1.2MHz左右。在搭建的濕度測試平臺進行測試時,當濕度

    從50%RH變化到88%RH時,溫度從30℃變化到33℃,也就是說,溫度對濕度傳感器的諧振頻率影響很小,可忽略不計。

    4結論

    闡述了濕度傳感器的設計制備和測試過程,從實驗結果可以得出濕度傳感器的諧振頻率隨著濕度的增大而呈線性減小,靈敏度為0.545MHz/%RH。研究了溫度對傳感器諧振頻率的影響,結果表明小范圍的溫度變化對傳感器諧振頻率的影響可以忽略不計。下一步工作將在濕度傳感器的制備過程和電感線圈的設計上進行改善,同時也要提高濕度傳感測試平臺的測量精度。

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