基于ELC谐振器的湿度传感器*

薛严冰,孟 影,宋 智

(大连交通大学电气信息学院,辽宁 大连 116028)



基于ELC谐振器的湿度传感器*

薛严冰*,孟 影,宋 智

(大连交通大学电气信息学院,辽宁 大连 116028)

LC谐振式湿度传感器因无源无线,可极大拓展传感器应用范围,已成为湿度传感器的研究热点之一。将超常媒质(metamaterials)应用在谐振器的结构选择上,解决了传统LC谐振式传感器尺寸过大,灵敏度较低的问题。湿度传感器由电耦合LC谐振器(ELC谐振器)和聚乙烯醇(PVA)敏感薄膜构成。首先利用电磁仿真软件,分析ELC谐振器主要结构参数对谐振特性的影响,设计和制作谐振频率为2.45 GHz的谐振器,品质因数达到302。然后通过滴涂法将制备好的感湿材料聚乙烯醇溶液涂敷在ELC谐振器表面制作湿度传感器,并进行了湿度敏感测试。实验结果显示:ELC谐振器在全频段内磁导率均为正,在频段2.19 GHz～2.98 GHz内介电常数为负,具有超常媒质特性;湿度传感器在相对湿度35% RH～88% RH范围内,谐振频率共偏移69.875 M,且在83%～88% RH湿度范围内感湿灵敏度η达到71.5 MHz/% RH。研究表明ELC谐振器因超常媒质特性实现了结构小型化,且由于品质因数较高改善了湿度灵敏度。

湿度传感器;超常媒质;ELC谐振器;PVA薄膜

自20世纪30年代,LiCl电解质电阻型湿度传感器问世以来,湿度传感器在众多领域都得到了广泛的应用。湿度传感器种类很多,按照其工作原理可分为伸缩式、蒸发式、露点式和电子式等,电子式湿度传感器以电阻型[1]、电容型[2-4]较为常见。目前湿度传感器的研究多集中在新型湿敏材料[5-7]和与CMOS工艺兼容的新型湿度传感器结构[8-9]两个方面。

随着物流行业和产品包装业的飞速发展,为减小产品由于运输和贮存过程中受潮损坏造成的损失,市场对低成本、低功耗和可印刷的湿度传感器有巨大需求。LC谐振式无源无线湿度传感器引起了部分研究者的关注[10-12],该湿度传感器基于电容型传感机制,其电容值受环境中相对湿度控制,将电容变化量通过LC谐振器转换成谐振频率,利用电磁波谐振频率的偏移来间接反映环境中的相对湿度(RH)的变化。目前研究报道的LC谐振式湿度传感器结构大多由叉指电容结构和螺旋电感并联组成。这种谐振器结构存在尺寸较大,工作频率较低,且谐振器品质因数较低,湿度传感器灵敏度不高等问题。

近年来,超常媒质(Metamaterials)尤其是单负媒质的应用受到了工业界和学术界的极大关注。将超常媒质应用在微波传感器领域,已成为一个非常有潜力的技术[13]。经典的超常媒质开口谐振环SRR(Split Ring Resonator)结构已实现了微波生物传感器[14]、应力传感器[15]和角度、位置、速度传感器[16]等。此外基于复合左右手传输线(CRLH-TL)的超常媒质已实现了被动式RFID应力传感器[17]和RFID温度传感器[18]。可以预见,将超常媒质应用在湿度传感器结构设计中,将是实现小型化和提高湿度传感器性能的一种有益尝试。

本文选择ELC谐振器[19]作为传感器结构,通过涂覆湿度敏感薄膜聚乙烯醇(PVA)制成LC谐振式无源无线湿度传感器,成功的将超常媒质结构应用于湿度传感器结构上,实现了工作于射频段、低功耗、高灵敏度和小型化等特性。实验结果表明涂覆聚乙烯醇(PVA)湿敏薄膜的ELC谐振器对湿度敏感,且高湿时感湿灵敏度较高,可用于目标环境的相对湿度检测。

图1 湿度传感器

1 湿度传感器理论探究

1.1 湿度传感器结构

湿度传感器剖面图如图1(a)所示。图中灰色部分为Taconic TLX_8基板,高度为hsub,介电常数为2.55,损耗角正切值为0.001 9,是一种高性能射频微波板材;黑色部分为金属铜构成的微带线结构,铜厚h为0.018 mm;白色部分为涂敷在铜结构表面的聚乙烯醇敏感薄膜,三者高度满足hsub>hPVA>h。图1(b)为针对其LC谐振式工作原理所设计的湿度检测框图。两个天线分别连接到矢量网络分析仪的两个端口上作为收发天线,湿度传感器位于电磁波传输路径上,将吸收特定频率的电磁波,使接收端接收到带有谐振信息的电磁波。通过检测电磁波的插入损耗(S21),可获得传感器谐振特性随湿度变化的规律,从而实现目标环境的湿度检测。

图2

1.2 ELC谐振器

ELC谐振器作为湿度传感器结构主要有两点原因:从性质上讲,因具有超常媒质特性,使其更易实现结构小型化和良好的谐振特性,有利于提高传感器性能;从结构上讲,其结构简单且高度对称,设计简单,如图2(a)所示。谐振器被一垂直于其表面的电磁波激励后,位于中间用于提供电容的结构强烈耦合电场,驱动整个LC谐振电路;位于两边的用于提供电感的环形结构由于结构高度对称使其磁耦合非常弱。图2(b)为其对应的等效电路模型。图中Cg为ELC谐振器中位于中间的电容结构所产生的间隙电容,Cp则为单胞周期排列时相邻单胞所产生的胞间电容,电感L则为两个高度对称的电感环所产生的电感,该LC并联谐振电路的谐振频率为[19]:

(1)

C=(CgCp)/(Cg+Cp)

(2)

综合ELC谐振器结构和其等效电路模型,其主要结构参数可分成电感参数和电容参数。电感参数包括电感结构长度L,宽度W和线宽d1;电容参数包括电容结构长度LC,间隙gC和线宽g1。利用HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)软件建立了谐振器模型,如图3所示。ELC谐振器位于一个正方体的空气腔中心,其中空气腔前后两个面设置成理想磁边界,上下两个面设置成理想点电边界,用来模拟沿Z轴方向传播的电磁波。通过参数优化方法,仿真研究了6个主要结构参数对谐振特性的影响,仿真结果如图4所示。

图4 结构参数影响

图3 ELC谐振器仿真模型

图4(a)～图4(c)说明了电感参数对谐振频率影响,电感结构长度L或宽度W增加均会增加电感,从而实现谐振频率的降低,S21幅值也越来越小;图4(c)表明减小电感结构线宽d1也可以增加电感,进而减小谐振频率;图4(d)和图4(e)显示随着电容结构长度LC增加或间隙gC减小,其谐振频率会随着电容值的增大而减小,但谐振特性也随之变差;从图4(f)可以看出电容线宽g1增加,谐振频率会有所降低,但不明显。综上可知,为了保证谐振特性良好,可通过改变电感参数进行谐振频率粗调,采用电容结构参数进行微调。

1.3 感湿机理仿真

通过HFSS对电容型感湿机理进行仿真。在图3所示结构的基础上,在基板上侧添加一个厚度为0.2 mm的面构造涂覆湿敏薄膜的ELC谐振器模型;通过薄膜相对介电常数εr变化模拟环境湿度变化,图5为相对介电常数εr变化范围为1～5时的S21。从图中可以看出随着εr增加,其谐振频率减小且S21幅值基本不变。综上可知,通过谐振频率的偏移可以实现对环境相对湿度的检测。

图5 感湿机理仿真

2 实验

2.1 ELC谐振器设计和制作

根据上述所得的电感参数粗调,电容参数微调设计原理,通过HFSS软件对ELC谐振器进行优化设计,使其谐振频率为2.45 GHz。基板厚度为0.5 mm,其余优化结构参数见表1。

表1 结构参数设计

利用湿法蚀刻制作ELC谐振器。通过将接收和发送天线连接到矢量网络分析仪(AV3629A),测量位于电磁波传输路径中的ELC谐振器的插入损耗S21,进而得到其谐振特性。实验中所用收发天线为设计制作的微带圆盘单极子超宽带天线,其-10 dB工作频带为1.9 GHz～11.2 GHz。

2.2 PVA湿敏薄膜制备

本文采用PVA(Sigma Aldritch,PVA-363138)作为原材料配置质量分数5%的湿敏溶液。首先,称取1 g的PVA絮状固体;用玻璃棒搅拌的同时,将PVA缓慢加入20 ℃左右的混合溶液(去离子水∶乙醇=3∶1)中浸润,使其充分溶解;先在60 ℃左右磁力搅拌40 min,随后使温度缓慢上升至80 ℃左右磁力搅拌50 min,直到溶液中不再含有小颗粒且成粘稠状为止;最后,冷却3 h,已备使用。

对ELC谐振器进行预处理后,利用滴涂法进行涂膜。首先,利用移液枪取0.35 mL已配好的PVA溶液均匀的滴涂在ELC谐振器上表面;最后于60 ℃恒温干燥箱中进行薄膜的固化。图6为制作的湿度传感器样品。

图6 湿度传感器样品

2.3 湿敏测试

湿敏测试系统如图7所示,由湿度控制单元,湿度传感器,收/发天线,温湿度记录仪和网络分析仪等组成。测试箱中两个相同的微带圆盘天线通过密闭罐的气密孔连接到网络分析仪上用于测量S21。湿度传感器位于两个天线之间,传感器背面没有金属地,所以可以通过任一侧天线将其谐振特性读出。实验中通过湿度控制单元调节需测试的湿度范围35% RH～88% RH,温度几乎保持在22 ℃左右,湿度调节方法如下:利用微量进样器向密闭罐中的加热板注入一定量水滴,通过继电器定时加热,同时通过内部风扇实时将湿度吹匀来提升相对湿度。实验中通过反复上述步骤对罐内湿度进行控制。

图7 湿度传感器测试系统

图8 谐振特性曲线

3 结果与讨论

3.1 ELC谐振器谐振特性

3.1.1 ELC谐振器谐振特性

将实验测试和仿真所得ELC谐振器的谐振特性曲线进行对比,如图8所示。从图8提取相关特性参数见表2,其中品质因数Q计算公式[20]如下:

Q=fr/(BW3 dB)

(3)

式中:fr为谐振频率,BW3 dB为3 dB带宽。

表2 谐振器特性参数对比

由表2可知仿真和测试所得谐振频率误差为2.7%,品质因数误差为5%。文献[11]中由叉指电容和螺旋电感并联构成的传感器Q值大小为58.771 6,对比可见ELC谐振器的Q值较大。ELC谐振器频率选择性较好,这将有助于提高湿度检测的灵敏度。

3.1.2 ELC谐振器结构性质分析

为验证所设计ELC谐振器的超常媒质特性,需对其进行磁导率μ和介电常数ε的提取,以分析其结构性质[21]。计算方法如下:

μ=nz

(4)

μ=μ′-iμ″

(5)

ε=n/z

(6)

ε=ε′-iε″

(7)

式(5)中μ的实部μ′反映材料磁能存储能力,常表示成材料的相对磁导率μr;虚部μ″则表示外加磁场作用下材料磁偶矩重排引起的损耗,反映材料对电磁波产生损耗的能力;式(7)中ε的实部ε′反映材料电能存储能力,常表示成材料的相对介电常数εr;虚部ε″则表示材料的介电损耗。式(4)和式(6)中复数z,n分别为阻抗和折射率,可通过下式求得。

(8)

(9)

(10)

式中:S11和S21分别为回波损耗和插入损耗,由HFSS仿真所得。k为自由空间入射波的波数,d为传播方向上基板的有效厚度,即波导高度。将式(8)分成两种情况来确定z,n的符号:第1种当z的实部Real(z)不接近于零时,采用Real(z)≥0来确定z的符号,从而也可以确定对应频点n的符号;第2种当Real(z)接近于0时,由于此时S11和S21一个小波动都可能会使得z,n符号改变,从而造成z,n的不连续,所以采用z,n的关系来消除不连续性,即令式(10)在该频段内满足Imag(n)≥0,反过来确定z的符号。图9为ELC谐振器的本构参数提取图。从图中可以看出,ELC谐振器整个频段内磁导率均为正,在频段2.19GHz～2.98GHz内具有负介电常数,说明ELC谐振器具有超常媒质特性,可以提高谐振特性。

图9 本构参数提取图

3.2 湿敏特性

东北航线设定为摩尔曼斯克—白令海峡—宁波，北极—苏伊士航线设定为摩尔曼斯克—苏伊士运河—马六甲海峡—宁波。

3.2.1 湿敏特性实验

在35% RH～88% RH的湿度范围内测量了传感器的S21,如图10(a)所示。图中显示ELC谐振器的谐振频率从45% RH开始偏移,且随着相对湿度逐渐提高,S21曲线总体左移,即谐振频率逐渐减小;在测试湿度范围内,该湿度传感器的谐振频率共偏移了69.875 MHz。

图10 湿度敏感测试曲线

图11 谐振频率fr和频偏Δfr随相对湿度的变化曲线

由图10可以获得谐振频率fr和对应的谐振频率偏移量Δfr同相对湿度间的关系,如图11所示。图11中随着相对湿度的增加,谐振频率从2.21 GHz(35% RH)降低到2.14 GHz(88% RH)。以最高谐振频率2.21 GHz(RH35%)作为参考频率0,在35% RH～75% RH湿度范围内谐振频率的偏移量较小,变化相对缓慢;75% RH～88% RH湿度范围内谐振频率偏移量较大,变化较快。

用感湿灵敏度η来定量表示湿度传感器的敏感特性指标,将其定义为相邻湿度之间的平均频偏[22]。计算方法如下:

(11)

式中:RH1和RH2为相邻的两个相对湿度值,f1和f2为对应湿度上的谐振频率,η单位为MHz/% RH。根据式(11)计算该湿度传感器在测量湿度范围内的η,见表3。表中可见,高湿时感湿灵敏度较大,在88% RH时已达到71.5 MHz/% RH,远大于文献[22]中给出的42.7 MHz/% RH。

表3 35% RH～88% RH感湿灵敏度η

3.2.2 湿敏特性分析

PVA是一种物理特性稳定的吸湿性聚合物,其分子结构式如图12所示。由图12可以看出其具有大量的亲水性羟基(—OH),而羟基可与空气中的水分子形成氢键从而吸附空气中水分,也正是由于这种氢键的重组和断裂使得PVA可以快速吸收或者解析水分,且快速与周围环境湿度达到平衡。

图12 PVA分子结构式

当目标环境中相对湿度改变时,PVA薄膜会通过吸收或解析水使其介电常数实部εr相应的增加或减小[23],进而会引起传感器结构有效介电常数实部εreff发生变化。其中εreff根据式(12)计算[24]:

εreff=1+q1(εsub-1)+q2(εr-1)

(12)

式中:εsub为基板相对介电常数,εr湿敏薄膜相对介电常数,q1和q2均为与谐振器结构参数相关的常数。又由式(1)知,ELC谐振器的谐振频率由其结构等效电感和等效电容共同决定,其电容值的计算公式[24]见式(13):

(13)

从图10测试结果可以看出其S21曲线与图5仿真结果存在差异。图10中,当相对湿度从50%RH逐渐增加时,S21曲线左移过程中由尖锐变得平坦,品质因数逐渐减小,谐振点处S21幅值逐渐增大。这是由于在低频率(≤5GHz)段PVA薄膜相对介电常数虚部(介电损耗)会随着PVA薄膜中含水量的增加而减小,薄膜导电率δ也会因此减小,从而使得薄膜阻抗增大,与薄膜阻抗成反比关系的品质因数也随之减小,S21幅值随之增大[23,25-26]。而图5的仿真结果中没有考虑PVA薄膜的固有介电特性,即相对介电常数虚部的影响,所以和图10有所不同。

文献[27]测量了PVA薄膜在各种湿度条件下的吸水率。湿度从15%增至65%RH时,其水含量增加约3%,而相对湿度从65%增至90%时,其水含量增加高达30%。该研究表明PVA薄膜在高湿条件下的吸水能力远大于低湿条件,这也正是图11中出现高湿条件下谐振频率偏移量远远大于低湿条件的原因所在。

4 结论

本文成功的将超常媒质ELC谐振器应用于LC谐振式无源无线湿度传感器的结构上,解决了LC谐振式无源无线湿度传感器所面临的尺寸大,谐振特性差的问题。研究过程中得出如下结论:

①通过仿真分析ELC谐振器主要结构参数对谐振特性的影响,为保证谐振特性良好,得出了设计特定频率ELC谐振器的方法:电感参数用于粗调,电容参数用于微调。

②通过本构参数提取法,证实ELC谐振器属于超常媒质。正因ELC谐振器具有这种特性,实现了品质因数Q达到302,有效的改善了传感器结构的频率选择性,提高了利用频移进行相对湿度检测的性能,且实现了仅17mm×17mm的小型化设计。

③由ELC谐振器和PVA敏感薄膜构成了LC谐振式湿度传感器。在相对湿度范围35%RH～88%RH内表现出极好的湿敏特性,谐振频率偏移量近70MHz;在高湿范围83%～88%RH内,感湿灵敏度η达到71.5MHz/%RH,明显大于低湿条件下的感湿灵敏度;随着湿度逐渐升高,Q值逐渐减小,S21幅值逐渐增大,谐振特性曲线偏移较明显,这将有效提高相对湿度的检测精度。

下一步工作将重点研究如何将感湿湿度范围扩大,探究感湿薄膜厚度对灵敏度的影响,进一步提高湿度传感器性能;将印刷技术与该湿度传感技术相融合,研究可印刷在包装纸上的低成本电子标签式湿度传感器。

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薛严冰(1973-),女,分别于1994年,1997年于中北大学获得学士学位,硕士学位,2009年于大连理工大学获得博士学位,现为大连交通大学教授,硕士生导师,主要研究方向为半导体气体传感器及电路集成,dlxyb@djtu.edu.cn;

宋 智(1978-),女,2000年于辽宁工学院获得学士学位,2003年于长安大学获得硕士学位,2014年于大连海事大学获得博士学位,现为大连交通大学副教授,硕士生导师,主要从事天线设计、传感器设计方面的研究,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

项目来源:国家自然科学基金(61201092;61471080);辽宁省高等学校优秀人才支持计划(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