加载纤维素敏感膜的小型化微波湿度传感器

熊 荣，陈昌明，李 娜，李万里

(成都信息工程大学通信工程学院，四川成都 610225)

0 引言

微波RF传感器具有实时性强、体积小、质量轻、非接触等优点，在环境监测、工业应用、智能监控以及生物医学等研究领域[1-3]得到了广泛的应用。有学者对基于基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)、互补开口谐振环(complementary split ring resonator，CSRR)以及叉指电容(inter-digital capacitor，IDC)等结构的湿度传感器进行了研究。其中SIW传感器具有高Q值、低插损、易于同其他平面电路进行集成，较多用于微波传感器领域，但是其较大的尺寸，不能满足小型化传感器的要求[4]。CSRR结构有利于实现传感器物理尺寸的小型化，但其灵敏度偏低[5]，而IDC结构有利于增强传感器的灵敏度，但尺寸偏大且制作工艺复杂[6]。且传统湿度传感器多为刚性传感器，应用场景有限。

为此，本文提出一种工作频率为3.905 GHz的CSRR-IDC混合结构的小型化传感器。在使用CSRR结构实现器件物理尺寸的小型化的基础上，再与IDC结构进行结合增强其灵敏度，再通过加载纤维素敏感膜，进一步提高灵敏度指标。基于Polyimide的柔性材料使本传感器可应用于可穿戴设备等领域。

1 设计理论与模型结构

本文所述传感器采用介质基板0.125 mm，相对介电常数εr=3.5的PI(Polyimide)基板材料，主要由底部GND金属层、中部Polyimide基板和顶部金属IDC-CSRR结构组成，优化后的模型结构如图1所示。

图1 传感器结构模型

用仿真软件HFSS对该传感器尺寸进行仿真优化。模型的尺寸参数如表1所示。

表1 传感器尺寸参数 mm

图2给出了在3.905GHz处的电场分布及其矢量曲线分布图，由图2可见该电场主要集中在表面金属片的中心对称及其附近区域处的导带上，这就暗示了若在这些导带上加载湿度敏感膜，由电小尺寸物体对谐振腔扰动原理[7]，其电场分布将会改变，从而使得有效介电常数εeff发生变化，引起传感器的谐振频率发生偏移。

(a)电场强度分布图

(b) 电场矢量曲线图图2 传感器在3.905 GHz处的电场分布

本文所述传感器等效电路如图3(a)所示，其中CLG与Cp代表微带传输线和接地平面之间间隔，而Lx是微带传输线等效的电感，中间是一个由IDC结构组成的RLC并联谐振回路，其中Ct、Lt分别代表IDC结构中的电容和电感，而Rt则代表了谐振回路中的损耗[8]。图3(a)所示电路又可通过串并联转换等效为图3(b)所示简化等效电路[9]。Ro、Co和Lo分别表示谐振腔的辐射损耗、谐振腔中电场和磁场引起的总电容和电感，根据文献[5]，可将纤维素敏感膜材料产生的电容等效为可变电容Cq，其大小随纤维素敏感膜溶液量变化。

(a)完整等效电路

(b)简化后的等效电路图3 传感器等效电路

(1)

式中：Cs为传感器在加载了敏感膜的总电容；Cq为纤维素敏感膜材料产生的电容；Co为传感器谐振腔等效电容。

由式(1)可知，传感器在加载了敏感膜后的总电容Cs由Cq和Co两部分组成。根据文献[10-11]，Cq随周围湿度的增加而增大，Cs也随之增大。传感器的谐振频率fo与品质因数Q的计算公式如下：

(2)

式中：fo为传感器的谐振频率；Lo为传感器谐振腔等效电感。

(3)

式中：Q为传感器的品质因数；Ro为传感器谐振腔等效电阻。

因此，周围相对湿度的增大会使谐振频率fo与品质因数Q降低。可以通过提取S11参数的谐振频率和品质因数来计算外部环境的相对湿度。

2 测试结果与讨论

用N5244A矢量网络分析仪测量本文所述传感器的反射系数S11，其测试结果与仿真结果如图4所示。由测试结果可见，传感器谐振在3.92 GHz，S11小于-17 dB，具有较高Q值，仿真与实测有一定差异，是由于加工精度误差和SMA接头损耗造成。

图4 反射系数S11仿真与实测比较图

传感器实物如图5(a)所示，测试环境如图5(b)所示。采用室温下的饱和LiCl、MgCl2、Mg(NO3)2、NaCl、KCl和K2SO4溶液分别提供11.3%、32.8%、54.3%、75.3%、84.3%和97.3%的相对湿度。

(a)实物图

(b) 测试图

将10 μL纤维素溶液均匀滴于表面金属片的电场集中区域，并放置一段时间等其自然风干形成纤维素膜。测试了未加载敏感膜与加载了10 μL纤维素敏感膜溶液时，在不同相对湿度时的反射系数S11，其测试结果如图6所示。其中S11参数的幅度值与品质因数Q成正比。

(a)未形成敏感膜情况下随湿度变化的S11

(b)形成了10 μL敏感膜后随湿度变化的S11参数

(c) 传感器谐振频率随敏感膜浓度和RH变化情况图6 不同情况时的测试结果

其中，无任何敏感膜时的测试数据如图6(a)所示，结果表明在所测湿度范围内频偏较小，和polyimide介质基板不吸湿性相符，因此在后续形成敏感膜进行湿度测试时，可忽略基板吸水的情况。可以看到，随着相对湿度的升高，其频率向低频发生偏移。

传感器测试灵敏度S表达式[12]为

(4)

式中：Δf为频率偏移量；Δ%RH为相应的湿度变化量。

细微的湿度变化都会引起介电常数的改变，从而引起频率偏移。

图6(b)为形成了10 μL敏感膜时的S11参数。可见品质因数Q随相对湿度增大而减小，说明纤维素敏感膜在吸水后改变了介电常数，增大了Cq值，在降低谐振频率的同时也降低了Q值，与之前等效电路所推结果相符。计算求得在形成了10 μL敏感膜后，其最大灵敏度为610.46 kHz/RH。

为考察不同敏感膜厚度在同等相对湿度范围内的频率偏移程度情况。测试了在中心敏感区域加载了3 μL、5 μL、7 μL、10 μL敏感膜后，其谐振频率随着相对湿度的变化情况，测试结果如图6(c)所示。测得谐振频率在敏感膜溶液量从3～10 μL升高时，其在11%-97%RH时的相对频偏也从27.5 MHz增长到52.5 MHz，使得灵敏度上升。可认为当纤维素溶液量增加后，将在IDC交指电极表面和缝隙处形成更大的纤维素膜，在相对湿度上升时，空气中的水蒸气浓度升高，纤维素膜将吸收更多的水分子，介电常数将显著升高，导致可变电容Cq增大[13]，使谐振频率降低，品质因数下降，导致更大的相对频偏，从而增大了灵敏度。

并对加载了10 μL敏感膜溶液后的传感器进行了为期7 d的稳定性测试，分别测试了其在不同相对湿度下的稳定性，结果如图7所示。结果表明，传感器在一周内具有良好的稳定性，可长期稳定工作。

图7 不同RH下稳定性结果测试

表2是该传感器的实测数据与类似湿度传感器文献测试结果的比较，本文与文献[5]具有类似结构，但在此基础上加入了IDC结构，使其在小型化的同时，增强了中心电场强度，并获得更大的灵敏度。且这种混合结构使得在与文献[14]动态范围基本一致的情况下，灵敏度提高了3倍多。同时，从表2中对比看出相对其他同类已刊文献，本文所设计的传感器在尺寸、相对湿度范围(RH)，敏感度(S)等方面有明显的优势。

3 结束语

本文所设计的传感器使用了纤维素溶液作为敏感材料，测试的相对湿度范围为11%～97%。加载了敏感膜材料后的传感器介电常数由相对湿度的变化决定，而基于CSRR-IDC结构的湿度传感器的性能由介电常数的改变决定。经测试，本文所设计的传感器其在加载了10 μL敏感膜溶液后敏感度可达610.46 kHz/RH，且具有良好的稳定性。实验结果与预期相符，具有较好的发展前景和实用意义，能为可穿戴传感设备提供一定的参考。

表2 本设计传感器与部分参考文献性能对比图