加載纖維素敏感膜的小型化微波濕度傳感器

熊 榮，陳昌明，李 娜，李萬里

(成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院，四川成都 610225)

0 引言

微波RF傳感器具有實(shí)時性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)應(yīng)用、智能監(jiān)控以及生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域[1-3]得到了廣泛的應(yīng)用。有學(xué)者對基于基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide，SIW)、互補(bǔ)開口諧振環(huán)(complementary split ring resonator，CSRR)以及叉指電容(inter-digital capacitor，IDC)等結(jié)構(gòu)的濕度傳感器進(jìn)行了研究。其中SIW傳感器具有高Q值、低插損、易于同其他平面電路進(jìn)行集成，較多用于微波傳感器領(lǐng)域，但是其較大的尺寸，不能滿足小型化傳感器的要求[4]。CSRR結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)傳感器物理尺寸的小型化，但其靈敏度偏低[5]，而IDC結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)傳感器的靈敏度，但尺寸偏大且制作工藝復(fù)雜[6]。且傳統(tǒng)濕度傳感器多為剛性傳感器，應(yīng)用場景有限。

為此，本文提出一種工作頻率為3.905 GHz的CSRR-IDC混合結(jié)構(gòu)的小型化傳感器。在使用CSRR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)器件物理尺寸的小型化的基礎(chǔ)上，再與IDC結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合增強(qiáng)其靈敏度，再通過加載纖維素敏感膜，進(jìn)一步提高靈敏度指標(biāo)?；赑olyimide的柔性材料使本傳感器可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。

1 設(shè)計理論與模型結(jié)構(gòu)

本文所述傳感器采用介質(zhì)基板0.125 mm，相對介電常數(shù)εr=3.5的PI(Polyimide)基板材料，主要由底部GND金屬層、中部Polyimide基板和頂部金屬IDC-CSRR結(jié)構(gòu)組成，優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)模型

用仿真軟件HFSS對該傳感器尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化。模型的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器尺寸參數(shù) mm

圖2給出了在3.905GHz處的電場分布及其矢量曲線分布圖，由圖2可見該電場主要集中在表面金屬片的中心對稱及其附近區(qū)域處的導(dǎo)帶上，這就暗示了若在這些導(dǎo)帶上加載濕度敏感膜，由電小尺寸物體對諧振腔擾動原理[7]，其電場分布將會改變，從而使得有效介電常數(shù)εeff發(fā)生變化，引起傳感器的諧振頻率發(fā)生偏移。

(a)電場強(qiáng)度分布圖

(b) 電場矢量曲線圖圖2 傳感器在3.905 GHz處的電場分布

本文所述傳感器等效電路如圖3(a)所示，其中CLG與Cp代表微帶傳輸線和接地平面之間間隔，而Lx是微帶傳輸線等效的電感，中間是一個由IDC結(jié)構(gòu)組成的RLC并聯(lián)諧振回路，其中Ct、Lt分別代表IDC結(jié)構(gòu)中的電容和電感，而Rt則代表了諧振回路中的損耗[8]。圖3(a)所示電路又可通過串并聯(lián)轉(zhuǎn)換等效為圖3(b)所示簡化等效電路[9]。Ro、Co和Lo分別表示諧振腔的輻射損耗、諧振腔中電場和磁場引起的總電容和電感，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，可將纖維素敏感膜材料產(chǎn)生的電容等效為可變電容Cq，其大小隨纖維素敏感膜溶液量變化。

(a)完整等效電路

(b)簡化后的等效電路圖3 傳感器等效電路

(1)

式中：Cs為傳感器在加載了敏感膜的總電容；Cq為纖維素敏感膜材料產(chǎn)生的電容；Co為傳感器諧振腔等效電容。

由式(1)可知，傳感器在加載了敏感膜后的總電容Cs由Cq和Co兩部分組成。根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]，Cq隨周圍濕度的增加而增大，Cs也隨之增大。傳感器的諧振頻率fo與品質(zhì)因數(shù)Q的計算公式如下：

(2)

式中：fo為傳感器的諧振頻率；Lo為傳感器諧振腔等效電感。

(3)

式中：Q為傳感器的品質(zhì)因數(shù)；Ro為傳感器諧振腔等效電阻。

因此，周圍相對濕度的增大會使諧振頻率fo與品質(zhì)因數(shù)Q降低?？梢酝ㄟ^提取S11參數(shù)的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)來計算外部環(huán)境的相對濕度。

2 測試結(jié)果與討論

用N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量本文所述傳感器的反射系數(shù)S11，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖4所示。由測試結(jié)果可見，傳感器諧振在3.92 GHz，S11小于-17 dB，具有較高Q值，仿真與實(shí)測有一定差異，是由于加工精度誤差和SMA接頭損耗造成。

圖4 反射系數(shù)S11仿真與實(shí)測比較圖

傳感器實(shí)物如圖5(a)所示，測試環(huán)境如圖5(b)所示。采用室溫下的飽和LiCl、MgCl2、Mg(NO3)2、NaCl、KCl和K2SO4溶液分別提供11.3%、32.8%、54.3%、75.3%、84.3%和97.3%的相對濕度。

(a)實(shí)物圖

(b) 測試圖

將10 μL纖維素溶液均勻滴于表面金屬片的電場集中區(qū)域，并放置一段時間等其自然風(fēng)干形成纖維素膜。測試了未加載敏感膜與加載了10 μL纖維素敏感膜溶液時，在不同相對濕度時的反射系數(shù)S11，其測試結(jié)果如圖6所示。其中S11參數(shù)的幅度值與品質(zhì)因數(shù)Q成正比。

(a)未形成敏感膜情況下隨濕度變化的S11

(b)形成了10 μL敏感膜后隨濕度變化的S11參數(shù)

(c) 傳感器諧振頻率隨敏感膜濃度和RH變化情況圖6 不同情況時的測試結(jié)果

其中，無任何敏感膜時的測試數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，結(jié)果表明在所測濕度范圍內(nèi)頻偏較小，和polyimide介質(zhì)基板不吸濕性相符，因此在后續(xù)形成敏感膜進(jìn)行濕度測試時，可忽略基板吸水的情況?？梢钥吹剑S著相對濕度的升高，其頻率向低頻發(fā)生偏移。

傳感器測試靈敏度S表達(dá)式[12]為

(4)

式中：Δf為頻率偏移量；Δ%RH為相應(yīng)的濕度變化量。

細(xì)微的濕度變化都會引起介電常數(shù)的改變，從而引起頻率偏移。

圖6(b)為形成了10 μL敏感膜時的S11參數(shù)。可見品質(zhì)因數(shù)Q隨相對濕度增大而減小，說明纖維素敏感膜在吸水后改變了介電常數(shù)，增大了Cq值，在降低諧振頻率的同時也降低了Q值，與之前等效電路所推結(jié)果相符。計算求得在形成了10 μL敏感膜后，其最大靈敏度為610.46 kHz/RH。

為考察不同敏感膜厚度在同等相對濕度范圍內(nèi)的頻率偏移程度情況。測試了在中心敏感區(qū)域加載了3 μL、5 μL、7 μL、10 μL敏感膜后，其諧振頻率隨著相對濕度的變化情況，測試結(jié)果如圖6(c)所示。測得諧振頻率在敏感膜溶液量從3～10 μL升高時，其在11%-97%RH時的相對頻偏也從27.5 MHz增長到52.5 MHz，使得靈敏度上升。可認(rèn)為當(dāng)纖維素溶液量增加后，將在IDC交指電極表面和縫隙處形成更大的纖維素膜，在相對濕度上升時，空氣中的水蒸氣濃度升高，纖維素膜將吸收更多的水分子，介電常數(shù)將顯著升高，導(dǎo)致可變電容Cq增大[13]，使諧振頻率降低，品質(zhì)因數(shù)下降，導(dǎo)致更大的相對頻偏，從而增大了靈敏度。

并對加載了10 μL敏感膜溶液后的傳感器進(jìn)行了為期7 d的穩(wěn)定性測試，分別測試了其在不同相對濕度下的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，傳感器在一周內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，可長期穩(wěn)定工作。

圖7 不同RH下穩(wěn)定性結(jié)果測試

表2是該傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)與類似濕度傳感器文獻(xiàn)測試結(jié)果的比較，本文與文獻(xiàn)[5]具有類似結(jié)構(gòu)，但在此基礎(chǔ)上加入了IDC結(jié)構(gòu)，使其在小型化的同時，增強(qiáng)了中心電場強(qiáng)度，并獲得更大的靈敏度。且這種混合結(jié)構(gòu)使得在與文獻(xiàn)[14]動態(tài)范圍基本一致的情況下，靈敏度提高了3倍多。同時，從表2中對比看出相對其他同類已刊文獻(xiàn)，本文所設(shè)計的傳感器在尺寸、相對濕度范圍(RH)，敏感度(S)等方面有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的傳感器使用了纖維素溶液作為敏感材料，測試的相對濕度范圍為11%～97%。加載了敏感膜材料后的傳感器介電常數(shù)由相對濕度的變化決定，而基于CSRR-IDC結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的性能由介電常數(shù)的改變決定。經(jīng)測試，本文所設(shè)計的傳感器其在加載了10 μL敏感膜溶液后敏感度可達(dá)610.46 kHz/RH，且具有良好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符，具有較好的發(fā)展前景和實(shí)用意義，能為可穿戴傳感設(shè)備提供一定的參考。

表2 本設(shè)計傳感器與部分參考文獻(xiàn)性能對比圖