通(tong)過濕(shi)(shi)度感(gan)(gan)應技術(shu)與近場電(dian)磁耦合原理相結(jie)(jie)合，構(gou)成(cheng)(cheng)了基于氧化(hua)鋁陶瓷的無線(xian)(xian)無源(yuan)濕(shi)(shi)度傳感(gan)(gan)系統。此傳感(gan)(gan)器包含(han)又指電(dian)容與電(dian)感(gan)(gan)線(xian)(xian)圈構(gou)成(cheng)(cheng)的LC諧振(zhen)(zhen)電(dian)路和(he)由(you)聚(ju)(ju)酰亞(ya)胺(an)薄膜構(gou)成(cheng)(cheng)的濕(shi)(shi)敏結(jie)(jie)構(gou)。當聚(ju)(ju)酰亞(ya)胺(an)薄膜吸收水分子后，聚(ju)(ju)酰亞(ya)胺(an)和(he)水組成(cheng)(cheng)的復(fu)合體系的介電(dian)常數(shu)發生變(bian)化(hua)，導致LC電(dian)路的諧振(zhen)(zhen)頻(pin)率發生改變(bian)，通(tong)過讀(du)取(qu)天線(xian)(xian)將(jiang)傳感(gan)(gan)器頻(pin)率信號讀(du)取(qu)出來。搭建濕(shi)(shi)度測(ce)試平(ping)臺對傳感(gan)(gan)器進行測(ce)試，結(jie)(jie)果表明(ming)傳感(gan)(gan)器的諧振(zhen)(zhen)頻(pin)率隨著密(mi)閉環境中空氣濕(shi)(shi)度的線(xian)(xian)性增大而呈線(xian)(xian)性減小的趨勢。當濕(shi)(shi)度從50%ＲH變(bian)化(hua)到(dao)88%ＲH的時候(hou)，傳感(gan)(gan)器諧振(zhen)(zhen)頻(pin)率從113.7121MHz變(bian)化(hua)到(dao)92.3115MHz，靈敏度為(wei)0.545MHz/%ＲH。
濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)是空氣(qi)(qi)中含有(you)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)重要(yao)標志，它與人類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)活息息相(xiang)關。隨著(zhu)(zhu)科學技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)步和(he)工(gong)農業生(sheng)產的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)，人類(lei)開始(shi)意識(shi)到對濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)進(jin)行測(ce)量和(he)監控的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要(yao)性(xing)。1991年(nian)(nian)(nian)Sakai等(deng)提出(chu)了(le)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)交聯PMMA電容式濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，1995年(nian)(nian)(nian)Sakai等(deng)人接著(zhu)(zhu)用(yong)(yong)聚砜類(lei)物(wu)質作(zuo)(zuo)為(wei)濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)材料，制(zhi)造(zao)出(chu)了(le)能夠(gou)在(zai)高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)濕(shi)(shi)(shi)環境下(xia)工(gong)作(zuo)(zuo)，并且具有(you)良好重復性(xing)和(he)穩定性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。Yang等(deng)人利用(yong)(yong)聚乙烯醇作(zuo)(zuo)為(wei)添加物(wu)，研究(jiu)出(chu)了(le)高(gao)(gao)靈(ling)敏(min)(min)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電容性(xing)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。我國(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)發展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)較落(luo)后，直到80年(nian)(nian)(nian)代(dai)，采用(yong)(yong)高(gao)(gao)分(fen)(fen)子(zi)感(gan)(gan)(gan)濕(shi)(shi)(shi)材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)才在(zai)我國(guo)發展(zhan)(zhan)起(qi)來(lai)。2009年(nian)(nian)(nian)，彭振(zhen)康等(deng)制(zhi)備(bei)了(le)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)靈(ling)敏(min)(min)度(du)(du)(du)高(gao)(gao)、濕(shi)(shi)(shi)滯性(xing)小、效應(ying)(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)快(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)厚(hou)膜濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)元件。2010年(nian)(nian)(nian)李揚等(deng)用(yong)(yong)聚季胺鹽作(zuo)(zuo)為(wei)感(gan)(gan)(gan)濕(shi)(shi)(shi)材料，制(zhi)備(bei)了(le)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)響應(ying)(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)快(kuai)、靈(ling)敏(min)(min)度(du)(du)(du)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)分(fen)(fen)子(zi)濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)元件。2011年(nian)(nian)(nian)，王良璧等(deng)用(yong)(yong)聚酰亞胺當感(gan)(gan)(gan)濕(shi)(shi)(shi)材料，制(zhi)備(bei)了(le)微型濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)元件。近(jin)年(nian)(nian)(nian)來(lai)，東南大(da)學設計(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新型CMOS兼容的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)測(ce)量上取(qu)得了(le)很(hen)(hen)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)突破，但長時間使用(yong)(yong)其穩定性(xing)有(you)待提高(gao)(gao)。現代(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)種(zhong)(zhong)類(lei)很(hen)(hen)多，按濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不同可以大(da)致分(fen)(fen)為(wei)3類(lei):電解(jie)質濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、半(ban)導體(ti)(ti)陶瓷(ci)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、有(you)機高(gao)(gao)分(fen)(fen)子(zi)聚合物(wu)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。但是，目前國(guo)內大(da)部(bu)分(fen)(fen)環境監測(ce)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)都是有(you)線有(you)源的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，這種(zhong)(zhong)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)不僅體(ti)(ti)積較大(da)、成本較高(gao)(gao)、制(zhi)作(zuo)(zuo)復雜，且必(bi)須有(you)線有(you)源才能正常工(gong)作(zuo)(zuo)，其應(ying)(ying)用(yong)(yong)范圍和(he)使用(yong)(yong)壽命受到很(hen)(hen)大(da)限制(zhi)。傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)由于其濕(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)材料和(he)制(zhi)備(bei)工(gong)藝的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)，已不能滿足生(sheng)產生(sheng)活的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)需求，設計(ji)和(he)研究(jiu)無(wu)線無(wu)源濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，成為(wei)濕(shi)(shi)(shi)度(du)(du)(du)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)未來(lai)發展(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要(yao)方向。
1傳感器基本原理
1.1濕度敏感原理
基于氧化(hua)鋁(lv)陶瓷無(wu)線無(wu)源濕(shi)度傳感器采用聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺薄膜作(zuo)為濕(shi)敏材料。聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺在－200～260℃的范圍(wei)內具有穩定的化(hua)學性(xing)能、物(wu)理性(xing)能及介(jie)(jie)電(dian)性(xing)能;同(tong)時(shi)具有耐(nai)高溫、耐(nai)輻(fu)射、耐(nai)磨、尺寸(cun)穩定、易于改(gai)(gai)性(xing)等特點。聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺的介(jie)(jie)電(dian)常數(shu)約(yue)為2.9左右，蒸(zheng)餾(liu)水的介(jie)(jie)電(dian)常數(shu)約(yue)為76.7，當(dang)環境中水分子(zi)的濃度發生改(gai)(gai)變(bian)時(shi)，聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺薄膜吸附的水分子(zi)量變(bian)化(hua)，導(dao)致其介(jie)(jie)電(dian)常數(shu)改(gai)(gai)變(bian)。當(dang)聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺吸收水分子(zi)后，根據Looyenga關系式(shi)，可得到聚酰(xian)(xian)亞(ya)(ya)胺和(he)水組成的復合體(ti)系的介(jie)(jie)電(dian)常數(shu)表達(da)公(gong)式(shi)。
由以(yi)上公式(shi)可(ke)以(yi)計(ji)算出在不同溫度范(fan)圍內復合(he)體系的(de)介電(dian)常數。隨(sui)著環境中濕度的(de)變(bian)化(hua)，又指(zhi)電(dian)容值會相應的(de)變(bian)化(hua)，其(qi)計(ji)算公式(shi)表(biao)示如下
式(shi)(3)中，Wgap為又指(zhi)電(dian)很(hen)間距，n為又指(zhi)電(dian)很(hen)總數，l為又指(zhi)電(dian)很(hen)長度，ε為復合物(wu)(感濕(shi)層吸(xi)收(shou)水分(fen)后的(de)(de)混(hun)合物(wu))的(de)(de)介(jie)電(dian)常數，hfinger為又指(zhi)電(dian)很(hen)厚度。從而，根(gen)據(ju)式(shi)(1)和式(shi)(3)，可以(yi)得到濕(shi)度傳(chuan)感器的(de)(de)電(dian)容(rong)值(圖1)。
1.2信(xin)號讀(du)取原(yuan)理(li)該(gai)傳(chuan)感器(qi)的等效電路模型(xing)可以簡化為(wei)電容Cs、電阻(zu)Ｒs、電感Ls組成的串聯回路。傳(chuan)感器(qi)諧振頻率f可表示為(wei)
式(shi)中，Q表(biao)示(shi)傳感(gan)(gan)器的品質因子。為了(le)和(he)濕度傳感(gan)(gan)器進行無線耦合，需要一個(ge)帶(dai)有讀取(qu)(qu)(qu)天(tian)線的測試電路(lu)，其等效電路(lu)如圖2所示(shi)。當(dang)(dang)讀取(qu)(qu)(qu)天(tian)線發射(she)掃頻信號時，當(dang)(dang)掃頻信號的某(mou)一頻率和(he)傳感(gan)(gan)器諧振(zhen)(zhen)頻率相(xiang)等時，傳感(gan)(gan)器電路(lu)發生諧振(zhen)(zhen)，天(tian)線的阻(zu)抗信號(包括實(shi)部、虛部、振(zhen)(zhen)幅、相(xiang)位(wei))將會發生變(bian)化。通過(guo)提取(qu)(qu)(qu)天(tian)線的阻(zu)抗信號就能獲取(qu)(qu)(qu)傳感(gan)(gan)器的諧振(zhen)(zhen)頻率值。
2傳感器的制備
傳感器制(zhi)備過程主要分(fen)為(wei)四步，首(shou)先(xian)采用絲(si)網印刷技術在(zai)氧化鋁陶瓷(ci)上用無鉛鋁漿印刷設計好(hao)(hao)的(de)電(dian)感線圈和(he)(he)又指電(dian)容圖形;然后(hou)在(zai)高溫爐中(zhong)對印刷好(hao)(hao)的(de)圖形按照燒結曲線進行燒結;接著利用勻膠(jiao)機在(zai)又指電(dian)容和(he)(he)電(dian)感線圈表面旋涂一層(ceng)均勻的(de)聚(ju)酰亞胺薄膜(mo);較后(hou)在(zai)氮氣(qi)氣(qi)氛中(zhong)對聚(ju)酰亞胺薄膜(mo)層(ceng)進行亞胺化處理。具體的(de)制(zhi)備流(liu)程如圖3所示。
3測試及結果分析
圖4為搭建(jian)的(de)濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳感(gan)(gan)器(qi)測(ce)試平臺。該平臺由密(mi)封(feng)箱、加濕(shi)(shi)(shi)器(qi)、濕(shi)(shi)(shi)度(du)記錄儀(yi)、電(dian)腦和(he)網(wang)(wang)絡(luo)分析儀(yi)組成。加濕(shi)(shi)(shi)器(qi)、傳感(gan)(gan)器(qi)、天(tian)線和(he)濕(shi)(shi)(shi)度(du)記錄儀(yi)放(fang)置在密(mi)封(feng)箱內，電(dian)腦與(yu)濕(shi)(shi)(shi)度(du)記錄儀(yi)相連(lian)，實時(shi)監(jian)測(ce)溫度(du)和(he)濕(shi)(shi)(shi)度(du)的(de)變化。天(tian)線放(fang)置在濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳感(gan)(gan)器(qi)正上方10mm處，并且(qie)與(yu)外(wai)界的(de)網(wang)(wang)絡(luo)分析儀(yi)相連(lian)。
用HFSS仿(fang)真得(de)出傳感器的(de)諧振頻(pin)(pin)(pin)率為114MHz，測(ce)得(de)濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)傳感器實際的(de)諧振頻(pin)(pin)(pin)率為113.7121MHz，兩者結果(guo)基本吻合，說明了設計的(de)可(ke)行性。圖(tu)5所示為濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)傳感器的(de)諧振頻(pin)(pin)(pin)率隨著濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)變大(da)而呈(cheng)線性減小。圖(tu)6為傳感器諧振頻(pin)(pin)(pin)率和濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)線性擬(ni)合的(de)曲(qu)線，當(dang)(dang)濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)從50%ＲH變化到(dao)88%ＲH的(de)時候，傳感器諧振頻(pin)(pin)(pin)率從113.7121MHz變化到(dao)92.3115MHz，靈敏(min)度(du)(du)(du)(du)為0.545MHz/%ＲH。同時，研究了溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)傳感器諧振頻(pin)(pin)(pin)率的(de)影(ying)響，如圖(tu)7所示，從圖(tu)中可(ke)以看出當(dang)(dang)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)從30℃變化到(dao)160℃的(de)時候，諧振頻(pin)(pin)(pin)率大(da)約變化了1.2MHz左(zuo)右(you)。在搭建的(de)濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)測(ce)試(shi)平臺進行測(ce)試(shi)時，當(dang)(dang)濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)(du)
從(cong)50%ＲH變化到88%ＲH時，溫度(du)從(cong)30℃變化到33℃，也就(jiu)是說，溫度(du)對(dui)濕度(du)傳感器的諧振頻率(lv)影響(xiang)很小，可忽略不計(ji)。
4結論
闡述了濕(shi)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)設計制(zhi)備和(he)測(ce)試過程，從實(shi)驗結(jie)(jie)果(guo)可(ke)以(yi)(yi)得(de)出濕(shi)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)諧(xie)振頻率(lv)(lv)隨著濕(shi)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增大而呈線(xian)性減小，靈敏(min)度(du)(du)為0.545MHz/%ＲH。研究了溫度(du)(du)對(dui)(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)諧(xie)振頻率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，結(jie)(jie)果(guo)表明小范圍的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)變化(hua)對(dui)(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)諧(xie)振頻率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響可(ke)以(yi)(yi)忽(hu)略不(bu)計。下一步(bu)工作將在濕(shi)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)備過程和(he)電感(gan)線(xian)圈的(de)(de)(de)(de)設計上進行改(gai)善，同時也要提高濕(shi)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)測(ce)試平臺的(de)(de)(de)(de)測(ce)量精度(du)(du)。