基于ELC諧振器的濕度傳感器*

薛嚴冰,孟 影,宋 智

(大連交通大學電氣信息學院,遼寧 大連 116028)

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基于ELC諧振器的濕度傳感器*

薛嚴冰*,孟 影,宋 智

(大連交通大學電氣信息學院,遼寧 大連 116028)

LC諧振式濕度傳感器因無源無線,可極大拓展傳感器應用范圍,已成為濕度傳感器的研究熱點之一。將超常媒質(metamaterials)應用在諧振器的結構選擇上,解決了傳統LC諧振式傳感器尺寸過大,靈敏度較低的問題。濕度傳感器由電耦合LC諧振器(ELC諧振器)和聚乙烯醇(PVA)敏感薄膜構成。首先利用電磁仿真軟件,分析ELC諧振器主要結構參數對諧振特性的影響,設計和制作諧振頻率為2.45 GHz的諧振器,品質因數達到302。然后通過滴涂法將制備好的感濕材料聚乙烯醇溶液涂敷在ELC諧振器表面制作濕度傳感器,并進行了濕度敏感測試。實驗結果顯示:ELC諧振器在全頻段內磁導率均為正,在頻段2.19 GHz～2.98 GHz內介電常數為負,具有超常媒質特性;濕度傳感器在相對濕度35% RH～88% RH范圍內,諧振頻率共偏移69.875 M,且在83%～88% RH濕度范圍內感濕靈敏度η達到71.5 MHz/% RH。研究表明ELC諧振器因超常媒質特性實現了結構小型化,且由于品質因數較高改善了濕度靈敏度。

濕度傳感器;超常媒質;ELC諧振器;PVA薄膜

自20世紀30年代,LiCl電解質電阻型濕度傳感器問世以來,濕度傳感器在眾多領域都得到了廣泛的應用。濕度傳感器種類很多,按照其工作原理可分為伸縮式、蒸發式、露點式和電子式等,電子式濕度傳感器以電阻型[1]、電容型[2-4]較為常見。目前濕度傳感器的研究多集中在新型濕敏材料[5-7]和與CMOS工藝兼容的新型濕度傳感器結構[8-9]兩個方面。

隨著物流行業和產品包裝業的飛速發展,為減小產品由于運輸和貯存過程中受潮損壞造成的損失,市場對低成本、低功耗和可印刷的濕度傳感器有巨大需求。LC諧振式無源無線濕度傳感器引起了部分研究者的關注[10-12],該濕度傳感器基于電容型傳感機制,其電容值受環境中相對濕度控制,將電容變化量通過LC諧振器轉換成諧振頻率,利用電磁波諧振頻率的偏移來間接反映環境中的相對濕度(RH)的變化。目前研究報道的LC諧振式濕度傳感器結構大多由叉指電容結構和螺旋電感并聯組成。這種諧振器結構存在尺寸較大,工作頻率較低,且諧振器品質因數較低,濕度傳感器靈敏度不高等問題。

近年來,超常媒質(Metamaterials)尤其是單負媒質的應用受到了工業界和學術界的極大關注。將超常媒質應用在微波傳感器領域,已成為一個非常有潛力的技術[13]。經典的超常媒質開口諧振環SRR(Split Ring Resonator)結構已實現了微波生物傳感器[14]、應力傳感器[15]和角度、位置、速度傳感器[16]等。此外基于復合左右手傳輸線(CRLH-TL)的超常媒質已實現了被動式RFID應力傳感器[17]和RFID溫度傳感器[18]。可以預見,將超常媒質應用在濕度傳感器結構設計中,將是實現小型化和提高濕度傳感器性能的一種有益嘗試。

本文選擇ELC諧振器[19]作為傳感器結構,通過涂覆濕度敏感薄膜聚乙烯醇(PVA)制成LC諧振式無源無線濕度傳感器,成功的將超常媒質結構應用于濕度傳感器結構上,實現了工作于射頻段、低功耗、高靈敏度和小型化等特性。實驗結果表明涂覆聚乙烯醇(PVA)濕敏薄膜的ELC諧振器對濕度敏感,且高濕時感濕靈敏度較高,可用于目標環境的相對濕度檢測。

圖1 濕度傳感器

1 濕度傳感器理論探究

1.1 濕度傳感器結構

濕度傳感器剖面圖如圖1(a)所示。圖中灰色部分為Taconic TLX_8基板,高度為hsub,介電常數為2.55,損耗角正切值為0.001 9,是一種高性能射頻微波板材;黑色部分為金屬銅構成的微帶線結構,銅厚h為0.018 mm;白色部分為涂敷在銅結構表面的聚乙烯醇敏感薄膜,三者高度滿足hsub>hPVA>h。圖1(b)為針對其LC諧振式工作原理所設計的濕度檢測框圖。兩個天線分別連接到矢量網絡分析儀的兩個端口上作為收發天線,濕度傳感器位于電磁波傳輸路徑上,將吸收特定頻率的電磁波,使接收端接收到帶有諧振信息的電磁波。通過檢測電磁波的插入損耗(S21),可獲得傳感器諧振特性隨濕度變化的規律,從而實現目標環境的濕度檢測。

圖2

1.2 ELC諧振器

ELC諧振器作為濕度傳感器結構主要有兩點原因:從性質上講,因具有超常媒質特性,使其更易實現結構小型化和良好的諧振特性,有利于提高傳感器性能;從結構上講,其結構簡單且高度對稱,設計簡單,如圖2(a)所示。諧振器被一垂直于其表面的電磁波激勵后,位于中間用于提供電容的結構強烈耦合電場,驅動整個LC諧振電路;位于兩邊的用于提供電感的環形結構由于結構高度對稱使其磁耦合非常弱。圖2(b)為其對應的等效電路模型。圖中Cg為ELC諧振器中位于中間的電容結構所產生的間隙電容,Cp則為單胞周期排列時相鄰單胞所產生的胞間電容,電感L則為兩個高度對稱的電感環所產生的電感,該LC并聯諧振電路的諧振頻率為[19]:

(1)

C=(CgCp)/(Cg+Cp)

(2)

綜合ELC諧振器結構和其等效電路模型,其主要結構參數可分成電感參數和電容參數。電感參數包括電感結構長度L,寬度W和線寬d1;電容參數包括電容結構長度LC,間隙gC和線寬g1。利用HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)軟件建立了諧振器模型,如圖3所示。ELC諧振器位于一個正方體的空氣腔中心,其中空氣腔前后兩個面設置成理想磁邊界,上下兩個面設置成理想點電邊界,用來模擬沿Z軸方向傳播的電磁波。通過參數優化方法,仿真研究了6個主要結構參數對諧振特性的影響,仿真結果如圖4所示。

圖4 結構參數影響

圖3 ELC諧振器仿真模型

圖4(a)～圖4(c)說明了電感參數對諧振頻率影響,電感結構長度L或寬度W增加均會增加電感,從而實現諧振頻率的降低,S21幅值也越來越小;圖4(c)表明減小電感結構線寬d1也可以增加電感,進而減小諧振頻率;圖4(d)和圖4(e)顯示隨著電容結構長度LC增加或間隙gC減小,其諧振頻率會隨著電容值的增大而減小,但諧振特性也隨之變差;從圖4(f)可以看出電容線寬g1增加,諧振頻率會有所降低,但不明顯。綜上可知,為了保證諧振特性良好,可通過改變電感參數進行諧振頻率粗調,采用電容結構參數進行微調。

1.3 感濕機理仿真

通過HFSS對電容型感濕機理進行仿真。在圖3所示結構的基礎上,在基板上側添加一個厚度為0.2 mm的面構造涂覆濕敏薄膜的ELC諧振器模型;通過薄膜相對介電常數εr變化模擬環境濕度變化,圖5為相對介電常數εr變化范圍為1～5時的S21。從圖中可以看出隨著εr增加,其諧振頻率減小且S21幅值基本不變。綜上可知,通過諧振頻率的偏移可以實現對環境相對濕度的檢測。

圖5 感濕機理仿真

2 實驗

2.1 ELC諧振器設計和制作

根據上述所得的電感參數粗調,電容參數微調設計原理,通過HFSS軟件對ELC諧振器進行優化設計,使其諧振頻率為2.45 GHz。基板厚度為0.5 mm,其余優化結構參數見表1。

表1 結構參數設計

利用濕法蝕刻制作ELC諧振器。通過將接收和發送天線連接到矢量網絡分析儀(AV3629A),測量位于電磁波傳輸路徑中的ELC諧振器的插入損耗S21,進而得到其諧振特性。實驗中所用收發天線為設計制作的微帶圓盤單極子超寬帶天線,其-10 dB工作頻帶為1.9 GHz～11.2 GHz。

2.2 PVA濕敏薄膜制備

本文采用PVA(Sigma Aldritch,PVA-363138)作為原材料配置質量分數5%的濕敏溶液。首先,稱取1 g的PVA絮狀固體;用玻璃棒攪拌的同時,將PVA緩慢加入20 ℃左右的混合溶液(去離子水∶乙醇=3∶1)中浸潤,使其充分溶解;先在60 ℃左右磁力攪拌40 min,隨后使溫度緩慢上升至80 ℃左右磁力攪拌50 min,直到溶液中不再含有小顆粒且成粘稠狀為止;最后,冷卻3 h,已備使用。

對ELC諧振器進行預處理后,利用滴涂法進行涂膜。首先,利用移液槍取0.35 mL已配好的PVA溶液均勻的滴涂在ELC諧振器上表面;最后于60 ℃恒溫干燥箱中進行薄膜的固化。圖6為制作的濕度傳感器樣品。

圖6 濕度傳感器樣品

2.3 濕敏測試

濕敏測試系統如圖7所示,由濕度控制單元,濕度傳感器,收/發天線,溫濕度記錄儀和網絡分析儀等組成。測試箱中兩個相同的微帶圓盤天線通過密閉罐的氣密孔連接到網絡分析儀上用于測量S21。濕度傳感器位于兩個天線之間,傳感器背面沒有金屬地,所以可以通過任一側天線將其諧振特性讀出。實驗中通過濕度控制單元調節需測試的濕度范圍35% RH～88% RH,溫度幾乎保持在22 ℃左右,濕度調節方法如下:利用微量進樣器向密閉罐中的加熱板注入一定量水滴,通過繼電器定時加熱,同時通過內部風扇實時將濕度吹勻來提升相對濕度。實驗中通過反復上述步驟對罐內濕度進行控制。

圖7 濕度傳感器測試系統

圖8 諧振特性曲線

3 結果與討論

3.1 ELC諧振器諧振特性

3.1.1 ELC諧振器諧振特性

將實驗測試和仿真所得ELC諧振器的諧振特性曲線進行對比,如圖8所示。從圖8提取相關特性參數見表2,其中品質因數Q計算公式[20]如下:

Q=fr/(BW3 dB)

(3)

式中:fr為諧振頻率,BW3 dB為3 dB帶寬。

表2 諧振器特性參數對比

由表2可知仿真和測試所得諧振頻率誤差為2.7%,品質因數誤差為5%。文獻[11]中由叉指電容和螺旋電感并聯構成的傳感器Q值大小為58.771 6,對比可見ELC諧振器的Q值較大。ELC諧振器頻率選擇性較好,這將有助于提高濕度檢測的靈敏度。

3.1.2 ELC諧振器結構性質分析

為驗證所設計ELC諧振器的超常媒質特性,需對其進行磁導率μ和介電常數ε的提取,以分析其結構性質[21]。計算方法如下:

μ=nz

(4)

μ=μ′-iμ″

(5)

ε=n/z

(6)

ε=ε′-iε″

(7)

式(5)中μ的實部μ′反映材料磁能存儲能力,常表示成材料的相對磁導率μr;虛部μ″則表示外加磁場作用下材料磁偶矩重排引起的損耗,反映材料對電磁波產生損耗的能力;式(7)中ε的實部ε′反映材料電能存儲能力,常表示成材料的相對介電常數εr;虛部ε″則表示材料的介電損耗。式(4)和式(6)中復數z,n分別為阻抗和折射率,可通過下式求得。

(8)

(9)

(10)

式中:S11和S21分別為回波損耗和插入損耗,由HFSS仿真所得。k為自由空間入射波的波數,d為傳播方向上基板的有效厚度,即波導高度。將式(8)分成兩種情況來確定z,n的符號:第1種當z的實部Real(z)不接近于零時,采用Real(z)≥0來確定z的符號,從而也可以確定對應頻點n的符號;第2種當Real(z)接近于0時,由于此時S11和S21一個小波動都可能會使得z,n符號改變,從而造成z,n的不連續,所以采用z,n的關系來消除不連續性,即令式(10)在該頻段內滿足Imag(n)≥0,反過來確定z的符號。圖9為ELC諧振器的本構參數提取圖。從圖中可以看出,ELC諧振器整個頻段內磁導率均為正,在頻段2.19GHz～2.98GHz內具有負介電常數,說明ELC諧振器具有超常媒質特性,可以提高諧振特性。

圖9 本構參數提取圖

3.2 濕敏特性

東北航線設定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設定為摩爾曼斯克—蘇伊士運河—馬六甲海峽—寧波。

3.2.1 濕敏特性實驗

在35% RH～88% RH的濕度范圍內測量了傳感器的S21,如圖10(a)所示。圖中顯示ELC諧振器的諧振頻率從45% RH開始偏移,且隨著相對濕度逐漸提高,S21曲線總體左移,即諧振頻率逐漸減小;在測試濕度范圍內,該濕度傳感器的諧振頻率共偏移了69.875 MHz。

圖10 濕度敏感測試曲線

圖11 諧振頻率fr和頻偏Δfr隨相對濕度的變化曲線

由圖10可以獲得諧振頻率fr和對應的諧振頻率偏移量Δfr同相對濕度間的關系,如圖11所示。圖11中隨著相對濕度的增加,諧振頻率從2.21 GHz(35% RH)降低到2.14 GHz(88% RH)。以最高諧振頻率2.21 GHz(RH35%)作為參考頻率0,在35% RH～75% RH濕度范圍內諧振頻率的偏移量較小,變化相對緩慢;75% RH～88% RH濕度范圍內諧振頻率偏移量較大,變化較快。

用感濕靈敏度η來定量表示濕度傳感器的敏感特性指標,將其定義為相鄰濕度之間的平均頻偏[22]。計算方法如下:

(11)

式中:RH1和RH2為相鄰的兩個相對濕度值,f1和f2為對應濕度上的諧振頻率,η單位為MHz/% RH。根據式(11)計算該濕度傳感器在測量濕度范圍內的η,見表3。表中可見,高濕時感濕靈敏度較大,在88% RH時已達到71.5 MHz/% RH,遠大于文獻[22]中給出的42.7 MHz/% RH。

表3 35% RH～88% RH感濕靈敏度η

3.2.2 濕敏特性分析

PVA是一種物理特性穩定的吸濕性聚合物,其分子結構式如圖12所示。由圖12可以看出其具有大量的親水性羥基(—OH),而羥基可與空氣中的水分子形成氫鍵從而吸附空氣中水分,也正是由于這種氫鍵的重組和斷裂使得PVA可以快速吸收或者解析水分,且快速與周圍環境濕度達到平衡。

圖12 PVA分子結構式

當目標環境中相對濕度改變時,PVA薄膜會通過吸收或解析水使其介電常數實部εr相應的增加或減小[23],進而會引起傳感器結構有效介電常數實部εreff發生變化。其中εreff根據式(12)計算[24]:

εreff=1+q1(εsub-1)+q2(εr-1)

(12)

式中:εsub為基板相對介電常數,εr濕敏薄膜相對介電常數,q1和q2均為與諧振器結構參數相關的常數。又由式(1)知,ELC諧振器的諧振頻率由其結構等效電感和等效電容共同決定,其電容值的計算公式[24]見式(13):

(13)

從圖10測試結果可以看出其S21曲線與圖5仿真結果存在差異。圖10中,當相對濕度從50%RH逐漸增加時,S21曲線左移過程中由尖銳變得平坦,品質因數逐漸減小,諧振點處S21幅值逐漸增大。這是由于在低頻率(≤5GHz)段PVA薄膜相對介電常數虛部(介電損耗)會隨著PVA薄膜中含水量的增加而減小,薄膜導電率δ也會因此減小,從而使得薄膜阻抗增大,與薄膜阻抗成反比關系的品質因數也隨之減小,S21幅值隨之增大[23,25-26]。而圖5的仿真結果中沒有考慮PVA薄膜的固有介電特性,即相對介電常數虛部的影響,所以和圖10有所不同。

文獻[27]測量了PVA薄膜在各種濕度條件下的吸水率。濕度從15%增至65%RH時,其水含量增加約3%,而相對濕度從65%增至90%時,其水含量增加高達30%。該研究表明PVA薄膜在高濕條件下的吸水能力遠大于低濕條件,這也正是圖11中出現高濕條件下諧振頻率偏移量遠遠大于低濕條件的原因所在。

4 結論

本文成功的將超常媒質ELC諧振器應用于LC諧振式無源無線濕度傳感器的結構上,解決了LC諧振式無源無線濕度傳感器所面臨的尺寸大,諧振特性差的問題。研究過程中得出如下結論:

①通過仿真分析ELC諧振器主要結構參數對諧振特性的影響,為保證諧振特性良好,得出了設計特定頻率ELC諧振器的方法:電感參數用于粗調,電容參數用于微調。

②通過本構參數提取法,證實ELC諧振器屬于超常媒質。正因ELC諧振器具有這種特性,實現了品質因數Q達到302,有效的改善了傳感器結構的頻率選擇性,提高了利用頻移進行相對濕度檢測的性能,且實現了僅17mm×17mm的小型化設計。

③由ELC諧振器和PVA敏感薄膜構成了LC諧振式濕度傳感器。在相對濕度范圍35%RH～88%RH內表現出極好的濕敏特性,諧振頻率偏移量近70MHz;在高濕范圍83%～88%RH內,感濕靈敏度η達到71.5MHz/%RH,明顯大于低濕條件下的感濕靈敏度;隨著濕度逐漸升高,Q值逐漸減小,S21幅值逐漸增大,諧振特性曲線偏移較明顯,這將有效提高相對濕度的檢測精度。

下一步工作將重點研究如何將感濕濕度范圍擴大,探究感濕薄膜厚度對靈敏度的影響,進一步提高濕度傳感器性能;將印刷技術與該濕度傳感技術相融合,研究可印刷在包裝紙上的低成本電子標簽式濕度傳感器。

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薛嚴冰(1973-),女,分別于1994年,1997年于中北大學獲得學士學位,碩士學位,2009年于大連理工大學獲得博士學位,現為大連交通大學教授,碩士生導師,主要研究方向為半導體氣體傳感器及電路集成,dlxyb@djtu.edu.cn;

宋 智(1978-),女,2000年于遼寧工學院獲得學士學位,2003年于長安大學獲得碩士學位,2014年于大連海事大學獲得博士學位,現為大連交通大學副教授,碩士生導師,主要從事天線設計、傳感器設計方面的研究,songzhi@djtu.edu.cn。

Humidity Sensor Based on ELC Resonator*

XUEYanbing*,MENGYing,SONGZhi

(College of Electrical and Information,Dalian Jiao Tong University,Dalian Liaoning 116028,China)

LC-resonanted humidity sensor has become a research focus which because it’s wireless passive and can extends application greatly. Metamaterials is selected as the resonator structure to deal with problems of large size and low sensitivity that the conventional LC-resonanted humidity sensor exists. The humidity sensor consists of an ELC resonator and polyvinyl alcohol film. Firstly,through analyzing the effect of the ELC resonator’s main structural parameters on resonant characteristics by electromagnetic simulation software,an ELC resonator is designed and made. It has a resonant frequency of 2.45 GHz and quality factor of 302. Then,the humidity sensor is fabricated through coating the prepared polyvinyl alcohol solution on the surface of ELC resonator by drop coating method. At last,its humidity sensitivity is tested by utilizing two antennas in microwave mode without any external circuit. The experimental results show that permeability is positive in the whole band and permittivity is negative from 2.19 GHz to 2.98 GHz. The experimental results show that this humidity sensor shifts 69.875 MHz totally when the relative humidity range from 35% RH to 88% RH and humidity sensitivity η reaches 71.5 MHz/% RH at 83% RH～88% RH. Studies show that ELC resonator as the humidity sensor’s structure achieves miniaturization and high quality factor which improves the humidity sensitivity due to its metamaterials’s property.

humidity sensors;metamaterials;ELC resonator;PVA film

項目來源:國家自然科學基金(61201092;61471080);遼寧省高等學校優秀人才支持計劃(LJQ2013047)

2016-08-25 修改日期:2016-11-16

TP212.2

A

1004-1699(2017)03-0341-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.002