基于直寫(xiě)打印的天線(xiàn)基濕度傳感器研究

摘 要：設(shè)計(jì)了一種側(cè)饋矩形微帶貼片天線(xiàn)用于濕度傳感。通過(guò)HFSS仿真設(shè)計(jì)確定其2.4 GHz的工作頻率及結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)采用自行搭建的直寫(xiě)打印系統(tǒng)制備的微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行了濕度傳感研究，在輻射貼片敏感區(qū)域上涂覆PDDA濕敏材料用于增強(qiáng)濕敏特性。結(jié)果表明，PDDA起到了關(guān)鍵的濕敏作用，直寫(xiě)打印獲得的微波天線(xiàn)能夠起到高濕報(bào)警并在中高濕的50 %RH ～ 90 %RH范圍內(nèi)起到濕度傳感作用。其靈敏度為250 kHz/%RH、線(xiàn)性度為0.95。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；微帶天線(xiàn)；HFSS仿真；直寫(xiě)打印

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）15-0015-04

Research on Antenna-based Humidity Sensor Based on Direct-ink-write Printing

LIU Shangjian， YAN Fengjie， HU Shuohao， SHAO Feng

（Engineering Research Center of the Ministry of Education of IoT Technology Application， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： A side-fed rectangular microstrip patch antenna is designed for humidity sensing. Its 2.4 GHz operating frequency and structural dimensions are determined by HFSS simulation design. The microstrip patch antenna prepared using a self-built direct-ink-write printing system is investigated for humidity sensing， and the PDDA moisture-sensitive material is coated on the sensitive area of the radiating patch for enhancing the moisture-sensitive characteristics. The results show that PDDA plays a key moisture-sensitive role， and the microwave antenna obtained by direct-ink-write printing is able to act as a high humidity alarm and humidity sensing in the medium-high humidity range of 50 %RH ～ 90 %RH. The sensitivity is 250 kHz/% RH and linearity is 0.95.

Keywords： humidity sensor; microstrip antenna; HFSS simulation; direct-ink-write printing

0 引 言

水蒸氣廣泛存在于空氣當(dāng)中，通常由濕度值表征其含量。濕度水平對(duì)人的體感以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都有著重要影響[1]。因此需要濕度傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健、智能家居等各領(lǐng)域進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)。濕度檢測(cè)也成為人類(lèi)健康生活、環(huán)保、節(jié)能活動(dòng)中不可或缺的環(huán)節(jié)[2]。目前，根據(jù)不同的工作原理，設(shè)計(jì)了眾多類(lèi)型的濕度傳感器，主要有電容式、電阻式、光纖式、聲表面波型和石英晶體微天平等。同時(shí)，探索新的濕度傳感技術(shù)和制備方法仍是提高性能和降低成本的必要途徑。

直寫(xiě)打印（direct-ink-write printing）是近來(lái)興起的一種增材制造方法，與3D打印相似，但更注重于平面器件的制造。與傳統(tǒng)印刷或噴墨打印方法不同，它主要采用單噴口工作模式，因此主要適用于新型電子器件的原型試制和電子墨水材料的試驗(yàn)。其采用的噴頭也比較多樣，有使用點(diǎn)膠針頭式[3]、壓電噴頭式[4]、氣溶膠噴頭式[5]等。相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)電線(xiàn)路制備工藝，直寫(xiě)打印（DIW）技術(shù)具有靈活便捷、原材料多樣、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[6]，因此在導(dǎo)電線(xiàn)路、薄膜器件和射頻器件的制備上已得到運(yùn)用。微波器件廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。微波諧振器和微波天線(xiàn)可以利用諧振頻率或介電常數(shù)的變化來(lái)感應(yīng)被測(cè)物[7]。由此形成的微波傳感器具備靈敏度高、能無(wú)線(xiàn)傳感等優(yōu)勢(shì)，可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)控制、微流體等領(lǐng)域[8]。微波濕度傳感器基于微波信號(hào)與被測(cè)水分子之間的相互作用來(lái)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量。水分子的吸附或脫附會(huì)影響微波器件及其襯底的介電常數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移[9]。

基于微波天線(xiàn)的濕度傳感器大都是由傳統(tǒng)工藝制備的，而微波器件的設(shè)計(jì)靈活多變，如能采用直寫(xiě)打印技術(shù)則可以給后續(xù)開(kāi)發(fā)中的器件制備過(guò)程帶來(lái)極大便利。本文以側(cè)饋矩形微帶貼片天線(xiàn)為目標(biāo)器件，首先通過(guò)設(shè)計(jì)仿真得到天線(xiàn)所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。然后使用搭建的DIW系統(tǒng)，直寫(xiě)打印微帶貼片天線(xiàn)，并涂覆聚二烯丙基二甲基氯化銨（Poly（Diallyl Dimethyl Ammonium Chloride）， PDDA）作為濕敏材料。最后對(duì)其在不同濕度下進(jìn)行測(cè)試，研究了天線(xiàn)基濕度傳感器的性能，分析了傳感器的適用性。

1 方法與實(shí)驗(yàn)

1.1 微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)由輻射貼片、基板和接地層組成。貼片與饋線(xiàn)的阻抗匹配程度會(huì)直接影響功率傳輸?shù)男剩捎谖炀€(xiàn)的邊緣阻抗大于微波器件通用的50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，所以加入一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器達(dá)成邊緣阻抗與50 Ω阻抗匹配。基板選用FR4環(huán)氧樹(shù)脂單面覆銅板，介電常數(shù)為4.4，介電損耗為0.02，介質(zhì)層厚度約為1.6 mm。采用HFSS軟件進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)。天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，以2.4 GHz左右為其諧振頻率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。2.4 GHz頻段廣泛地應(yīng)用于多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有通用性。同時(shí)該頻率也是水分子吸收電磁波較強(qiáng)的頻段，因此十分適合于濕度傳感。

1.2 傳感器制備

實(shí)驗(yàn)室搭建的DIW系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由3D打印機(jī)、空氣壓縮機(jī)、點(diǎn)膠閥和擠出頭組成。3D打印機(jī)原有的熱熔擠出頭被注射器針筒和點(diǎn)膠針頭（27 g，內(nèi)徑為0.22 mm）組成的擠出頭代替。使用延時(shí)繼電器將3D打印機(jī)的擠出信號(hào)與點(diǎn)膠閥的觸發(fā)信號(hào)輸入相連接。擠出壓力通過(guò)接入管路中的數(shù)字壓力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。直寫(xiě)打印時(shí)3D打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照Repetier Host軟件中編寫(xiě)的Gcode代碼驅(qū)動(dòng)針頭在X-Y-Z方向上移動(dòng)。

直寫(xiě)打印微帶天線(xiàn)時(shí)使用的導(dǎo)電漿料為奧斯邦3813型。打印時(shí)控制針頭走位，使擠出的線(xiàn)條連成面，預(yù)設(shè)線(xiàn)寬為500 μm。針頭工作高度為4 mm，移動(dòng)速度為300 mm/min，所需打印時(shí)間為8 min。微帶天線(xiàn)完成打印后，將其置于150 ℃的加熱平臺(tái)上燒結(jié)60分鐘。再將重量百分率為10%的PDDA溶液均勻的滴涂在紅框區(qū)域內(nèi)的貼片表面，再置于烘箱內(nèi)以40 ℃烘干60分鐘。最后，將SMA接頭焊接在器件上，接頭的外層管腳接在背面覆銅面上。

1.3 傳感器測(cè)試系統(tǒng)

濕度傳感測(cè)試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer， VNA）、溫濕度計(jì)、測(cè)試箱和空氣瓶組成。在室溫下，將天線(xiàn)基濕度傳感器置于測(cè)試箱中，通過(guò)控制干濕空氣，使得測(cè)試箱內(nèi)的濕度值在10 %RH～90 %RH的范圍內(nèi)變化，待測(cè)器件通過(guò)SMA連接線(xiàn)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得天線(xiàn)基濕度傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與表征

經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，本文設(shè)計(jì)的微帶貼片天線(xiàn)的物理尺寸參數(shù)如表1所示。圖2（a）和圖2（b）所示為微帶貼片天線(xiàn)的回波損耗（S11）和駐波比的仿真結(jié)果。在諧振頻率2.44 GHz下的回波損耗幅值為-23.6 dB，低于-10 dB的規(guī)定值。-10 dB的帶寬為60 MHz（從

2.41 GHz到2.47 GHz）。從圖2（b）中可以看出，在2.44 GHz下，該天線(xiàn)在自由空間的電壓駐波比（VSWR）為1.14，證明了饋線(xiàn)與天線(xiàn)的阻抗匹配性較好，天線(xiàn)在該頻段具有良好的輻射性能。

如圖3（a）所示為直寫(xiě)打印制備的微帶貼片天線(xiàn)的實(shí)物圖，其大小與設(shè)計(jì)尺寸相一致。直寫(xiě)打印時(shí)，由于銀漿存在一定粘度，導(dǎo)致線(xiàn)與線(xiàn)之間無(wú)法完全由自由流動(dòng)形成平整的面，因此貼片表面形成了符合走線(xiàn)規(guī)律的高低起伏。將打印完成的微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行S11參數(shù)的測(cè)量。如圖3（b）所示，器件的諧振頻率為2.37 GHz，略低于仿真獲得的2.44 GHz，偏移量為2.8%。-10 dB下的帶寬為60 MHz，與仿真一致。幅值為-19.0 dB，略大于仿真獲得的-23.6 dB。由于打印和測(cè)量過(guò)程中帶來(lái)了一定的誤差，導(dǎo)致仿真與測(cè)試的結(jié)果存在差異。微帶貼片天線(xiàn)諧振頻率的偏移可歸因于饋電點(diǎn)位置的偏差，另外，微帶天線(xiàn)的電氣連接和打印材料的導(dǎo)電性也會(huì)對(duì)回波損耗的測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。

2.2 濕度傳感性能測(cè)試

為了測(cè)試微帶貼片天線(xiàn)的濕度響應(yīng)，將天線(xiàn)置于不同濕度環(huán)境下測(cè)試回波損耗曲線(xiàn)。如圖4（a）所示，不同濕度值下的回波損耗曲線(xiàn)差異非常小，諧振頻率和幅值受濕度變化的影響均很微弱。這表明導(dǎo)電漿料在固化后的吸濕性十分有限。相反的，對(duì)于涂有PDDA涂層的微帶貼片天線(xiàn)，不同濕度下回波損耗曲線(xiàn)則發(fā)生了明顯變化。如圖4（b）所示，隨著濕度的增加，曲線(xiàn)逐步向左上移動(dòng)，S11的諧振頻率和幅值均發(fā)生了變化。

進(jìn)一步畫(huà)出諧振頻率和幅值隨濕度的變化曲線(xiàn)，如圖4（c）和圖4（d）所示。器件在10 %RH～50 %RH的中低濕度范圍內(nèi)，參數(shù)基本沒(méi)有響應(yīng)，而在50 %RH～90 %RH的中高濕度范圍內(nèi)，則變化較大。這體現(xiàn)出需要PDDA在吸附了較多水分后，才能對(duì)微帶貼片天線(xiàn)的信號(hào)起到作用。PDDA是一種陽(yáng)離子聚電解質(zhì)，在其聚合物鏈中含有季銨離子和氯離子，其中可移動(dòng)的Cl-是主要的電荷載體。離子性使其具有親水性，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增大時(shí)，薄膜的吸水量增加，而在低濕度的環(huán)境下，水分又會(huì)降低，因此常被用于濕度傳感。當(dāng)測(cè)試環(huán)境濕度大于50 %RH時(shí)，PDDA薄膜擁有足夠的水分吸附，使得微帶天線(xiàn)有效介電常數(shù)變化較大，從而在濕度值從50 %RH變化到90 %RH時(shí)，回波損耗諧振頻率點(diǎn)和幅值變化明顯。

由于諧振頻率的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出了更好的線(xiàn)性度，因此成為表征濕度響應(yīng)的理想?yún)?shù)。如圖5（a）所示，在50 %RH～90 %RH范圍內(nèi)對(duì)諧振頻率進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合方程為y = -2.48×10-4x + 2.3，其線(xiàn)性度為0.95。在該范圍內(nèi)諧振頻率具有較好的濕度靈敏性，靈敏度為250 kHz / %RH。因此，該微帶貼片天線(xiàn)用作濕度傳感時(shí)可起到高濕報(bào)警和對(duì)50 %RH～90 %RH進(jìn)行濕度檢測(cè)的功能。表2給出了本傳感器與文獻(xiàn)中同類(lèi)型濕度傳感器的比較，可以看出，本文打印制備的濕度傳感器具有較好的頻率響應(yīng)。進(jìn)一步分析器件的可恢復(fù)性，如圖5（b）所示，將器件在10 %RH～90 %RH范圍內(nèi)完成一個(gè)升濕和降濕過(guò)程。可以看到，在升降濕過(guò)程中存在一定偏差，這體現(xiàn)出PDDA膜的吸濕或脫濕過(guò)程需要一定時(shí)間來(lái)完成。

3 結(jié) 論

本文利用自行搭建的直寫(xiě)打印系統(tǒng)，通過(guò)直寫(xiě)打印技術(shù)制備了微帶貼片天線(xiàn)用于濕度傳感測(cè)試。首先基于軟件設(shè)計(jì)仿真，確定了微帶貼片天線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)尺寸。隨后在RF4單面覆銅板上制備基礎(chǔ)貼片天線(xiàn)，并將PDDA作為敏感材料涂覆在貼片表面，構(gòu)成濕度傳感器。結(jié)果表明，該器件在50 %RH～90 %RH范圍內(nèi)具有較好的濕度靈敏性，靈敏度為250 kHz/%RH。雖然其作為濕度傳感器的性能還有待完善，但是本工作證明了直寫(xiě)打印作為增材制造的一種方式，能夠給包括微波器件和傳感器在內(nèi)的電子器件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的便利。

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作者簡(jiǎn)介：劉尚劍（1997—），男，漢族，廣西玉林人，碩士，研究方向：直寫(xiě)打印與傳感技術(shù)。