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氧化铝陶瓷无线无源湿度传感系统的制备

发布日期:2018-6-13 已被浏览159 次

通过湿度感应技术与近场电磁耦合原理相结合,构成了基于氧化铝陶瓷的无线无源湿度传感系统。此传感器包含又指电容与电感线圈构成的LC谐振电路和由聚酰亚胺薄膜构成的湿敏结构。当聚酰亚胺薄膜吸收水分子后,聚酰亚胺和水组成的复合体系的介电常数发生变化,导致LC电路的谐振频率发生改变,通过读取天线将传感器频率信号读取出来。搭建湿度测试平台对传感器进行测试,结果表明传感器的谐振频率随着密闭环境中空气湿度的线性增大而呈线性减小的趋势。当湿度从50%RH变化到88%RH的时候,传感器谐振频率从113.7121MHz变化到92.3115MHz,灵敏度为0.545MHz/%RH。

湿度是空气中含有水蒸气的量的一种重要标志,它与人类的生活息息相关。随着科学技术的进步和工农业生产的发展,人类开始意识到对湿度进行测量和监控的重要性。1991年Sakai等提出了一种交联PMMA电容式湿度传感器,1995年Sakai等人接着用聚砜类物质作为湿敏材料,制造出了能够在高温高湿环境下工作,并且具有良好重复性和稳定性的湿度传感器。Yang等人利用聚乙烯醇作为添加物,研究出了高灵敏度的电容性湿度传感器。我国的湿度传感器发展的比较落后,直到80年代,采用高分子感湿材料的传感器才在我国发展起来。2009年,彭振康等制备了一种灵敏度高、湿滞性小、效应速度快的厚膜湿敏元件。2010年李扬等用聚季胺盐作为感湿材料,制备了一种响应速度快、灵敏度高的高分子湿敏元件。2011年,王良璧等用聚酰亚胺当感湿材料,制备了微型湿敏元件。近年来,东南大学设计的新型CMOS兼容的湿度传感器在湿度测量上取得了很大的突破,但长时间使用其稳定性有待提高。现代的湿度传感器种类很多,按湿敏材料的不同可以大致分为3类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、有机高分子聚合物传感器。但是,目前国内大部分环境监测使用的湿度传感器都是有线有源的,这种传感器不仅体积较大、成本较高、制作复杂,且必须有线有源才能正常工作,其应用范围和使用寿命受到很大限制。传统的湿度传感器由于其湿敏材料和制备工艺的限制,已不能满足生产生活的需求,设计和研究无线无源湿度传感器,成为湿度传感器未来发展的重要方向。

1传感器基本原理

1.1湿度敏感原理

基于氧化铝陶瓷无线无源湿度传感器采用聚酰亚胺薄膜作为湿敏材料。聚酰亚胺在-200~260℃的范围内具有稳定的化学性能、物理性能及介电性能;同时具有耐高温、耐辐射、耐磨、尺寸稳定、易于改性等特点。聚酰亚胺的介电常数约为2.9左右,蒸馏水的介电常数约为76.7,当环境中水分子的浓度发生改变时,聚酰亚胺薄膜吸附的水分子量变化,导致其介电常数改变。当聚酰亚胺吸收水分子后,根据Looyenga关系式,可得到聚酰亚胺和水组成的复合体系的介电常数表达公式。

由以上公式可以计算出在不同温度范围内复合体系的介电常数。随着环境中湿度的变化,又指电容值会相应的变化,其计算公式表示如下

式(3)中,Wgap为又指电极间距,n为又指电极总数,l为又指电极长度,ε为复合物(感湿层吸收水分后的混合物)的介电常数,hfinger为又指电极厚度。从而,根据式(1)和式(3),可以得到湿度传感器的电容值(图1)。

1.2信号读取原理该传感器的等效电路模型可以简化为电容Cs、电阻Rs、电感Ls组成的串联回路。传感器谐振频率f可表示为

式中,Q表示传感器的品质因子。为了和湿度传感器进行无线耦合,需要一个带有读取天线的测试电路,其等效电路如图2所示。当读取天线发射扫频信号时,当扫频信号的某一频率和传感器谐振频率相等时,传感器电路发生谐振,天线的阻抗信号(包括实部、虚部、振幅、相位)将会发生变化。通过提取天线的阻抗信号就能获取传感器的谐振频率值。

2传感器的制备

传感器制备过程主要分为四步,首先采用丝网印刷技术在氧化铝陶瓷上用无铅铝浆印刷设计好的电感线圈和又指电容图形;然后在高温炉中对印刷好的图形按照烧结曲线进行烧结;接着利用匀胶机在又指电容和电感线圈表面旋涂一层均匀的聚酰亚胺薄膜;最后在氮气气氛中对聚酰亚胺薄膜层进行亚胺化处理。具体的制备流程如图3所示。

3测试及结果分析

图4为搭建的湿度传感器测试平台。该平台由密封箱、加湿器、湿度记录仪、电脑和网络分析仪组成。加湿器、传感器、天线和湿度记录仪放置在密封箱内,电脑与湿度记录仪相连,实时监测温度和湿度的变化。天线放置在湿度传感器正上方10mm处,并且与外界的网络分析仪相连。

用HFSS仿真得出传感器的谐振频率为114MHz,测得湿度传感器实际的谐振频率为113.7121MHz,两者结果基本吻合,说明了设计的可行性。图5所示为湿度传感器的谐振频率随着湿度变大而呈线性减小。图6为传感器谐振频率和湿度线性拟合的曲线,当湿度从50%RH变化到88%RH的时候,传感器谐振频率从113.7121MHz变化到92.3115MHz,灵敏度为0.545MHz/%RH。同时,研究了温度对湿度传感器谐振频率的影响,如图7所示,从图中可以看出当温度从30℃变化到160℃的时候,谐振频率大约变化了1.2MHz左右。在搭建的湿度测试平台进行测试时,当湿度

从50%RH变化到88%RH时,温度从30℃变化到33℃,也就是说,温度对湿度传感器的谐振频率影响很小,可忽略不计。

4结论

阐述了湿度传感器的设计制备和测试过程,从实验结果可以得出湿度传感器的谐振频率随着湿度的增大而呈线性减小,灵敏度为0.545MHz/%RH。研究了温度对传感器谐振频率的影响,结果表明小范围的温度变化对传感器谐振频率的影响可以忽略不计。下一步工作将在湿度传感器的制备过程和电感线圈的设计上进行改善,同时也要提高湿度传感测试平台的测量精度。

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