通過濕度感應(yīng)技術(shù)與近場電磁耦合原理相結(jié)合，構(gòu)成了基于氧化鋁陶瓷的無線無源濕度傳感系統(tǒng)。此傳感器包含又指電容與電感線圈構(gòu)成的LC諧振電路和由聚酰亞胺薄膜構(gòu)成的濕敏結(jié)構(gòu)。當(dāng)聚酰亞胺薄膜吸收水分子后，聚酰亞胺和水組成的復(fù)合體系的介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致LC電路的諧振頻率發(fā)生改變，通過讀取天線將傳感器頻率信號(hào)讀取出來。搭建濕度測(cè)試平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明傳感器的諧振頻率隨著密閉環(huán)境中空氣濕度的線性增大而呈線性減小的趨勢(shì)。當(dāng)濕度從50%ＲH變化到88%ＲH的時(shí)候，傳感器諧振頻率從113.7121MHz變化到92.3115MHz，靈敏度為0.545MHz/%ＲH。
濕度是空氣中含有水蒸氣的量的一種重要標(biāo)志，它與人類的生活息息相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人類開始意識(shí)到對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控的重要性。1991年Sakai等提出了一種交聯(lián)PMMA電容式濕度傳感器，1995年Sakai等人接著用聚砜類物質(zhì)作為濕敏材料，制造出了能夠在高溫高濕環(huán)境下工作，并且具有良好重復(fù)性和穩(wěn)定性的濕度傳感器。Yang等人利用聚乙烯醇作為添加物，研究出了高靈敏度的電容性濕度傳感器。我國的濕度傳感器發(fā)展的比較落后，直到80年代，采用高分子感濕材料的傳感器才在我國發(fā)展起來。2009年，彭振康等制備了一種靈敏度高、濕滯性小、效應(yīng)速度快的厚膜濕敏元件。2010年李揚(yáng)等用聚季胺鹽作為感濕材料，制備了一種響應(yīng)速度快、靈敏度高的高分子濕敏元件。2011年，王良璧等用聚酰亞胺當(dāng)感濕材料，制備了微型濕敏元件。近年來，東南大學(xué)設(shè)計(jì)的新型CMOS兼容的濕度傳感器在濕度測(cè)量上取得了很大的突破，但長時(shí)間使用其穩(wěn)定性有待提高。現(xiàn)代的濕度傳感器種類很多，按濕敏材料的不同可以大致分為3類:電解質(zhì)濕度傳感器、半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、有機(jī)高分子聚合物傳感器。但是，目前國內(nèi)大部分環(huán)境監(jiān)測(cè)使用的濕度傳感器都是有線有源的，這種傳感器不僅體積較大、成本較高、制作復(fù)雜，且必須有線有源才能正常工作，其應(yīng)用范圍和使用壽命受到很大限制。傳統(tǒng)的濕度傳感器由于其濕敏材料和制備工藝的限制，已不能滿足生產(chǎn)生活的需求，設(shè)計(jì)和研究無線無源濕度傳感器，成為濕度傳感器未來發(fā)展的重要方向。
1傳感器基本原理
1.1濕度敏感原理
基于氧化鋁陶瓷無線無源濕度傳感器采用聚酰亞胺薄膜作為濕敏材料。聚酰亞胺在－200～260℃的范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、物理性能及介電性能;同時(shí)具有耐高溫、耐輻射、耐磨、尺寸穩(wěn)定、易于改性等特點(diǎn)。聚酰亞胺的介電常數(shù)約為2.9左右，蒸餾水的介電常數(shù)約為76.7，當(dāng)環(huán)境中水分子的濃度發(fā)生改變時(shí)，聚酰亞胺薄膜吸附的水分子量變化，導(dǎo)致其介電常數(shù)改變。當(dāng)聚酰亞胺吸收水分子后，根據(jù)Looyenga關(guān)系式，可得到聚酰亞胺和水組成的復(fù)合體系的介電常數(shù)表達(dá)公式。
由以上公式可以計(jì)算出在不同溫度范圍內(nèi)復(fù)合體系的介電常數(shù)。隨著環(huán)境中濕度的變化，又指電容值會(huì)相應(yīng)的變化，其計(jì)算公式表示如下
式(3)中，Wgap為又指電很間距，n為又指電很總數(shù)，l為又指電很長度，ε為復(fù)合物(感濕層吸收水分后的混合物)的介電常數(shù)，hfinger為又指電很厚度。從而，根據(jù)式(1)和式(3)，可以得到濕度傳感器的電容值(圖1)。
1.2信號(hào)讀取原理該傳感器的等效電路模型可以簡化為電容Cs、電阻Ｒs、電感Ls組成的串聯(lián)回路。傳感器諧振頻率f可表示為
式中，Q表示傳感器的品質(zhì)因子。為了和濕度傳感器進(jìn)行無線耦合，需要一個(gè)帶有讀取天線的測(cè)試電路，其等效電路如圖2所示。當(dāng)讀取天線發(fā)射掃頻信號(hào)時(shí)，當(dāng)掃頻信號(hào)的某一頻率和傳感器諧振頻率相等時(shí)，傳感器電路發(fā)生諧振，天線的阻抗信號(hào)(包括實(shí)部、虛部、振幅、相位)將會(huì)發(fā)生變化。通過提取天線的阻抗信號(hào)就能獲取傳感器的諧振頻率值。
2傳感器的制備
傳感器制備過程主要分為四步，首先采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在氧化鋁陶瓷上用無鉛鋁漿印刷設(shè)計(jì)好的電感線圈和又指電容圖形;然后在高溫爐中對(duì)印刷好的圖形按照燒結(jié)曲線進(jìn)行燒結(jié);接著利用勻膠機(jī)在又指電容和電感線圈表面旋涂一層均勻的聚酰亞胺薄膜;較后在氮?dú)鈿夥罩袑?duì)聚酰亞胺薄膜層進(jìn)行亞胺化處理。具體的制備流程如圖3所示。
3測(cè)試及結(jié)果分析
圖4為搭建的濕度傳感器測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)由密封箱、加濕器、濕度記錄儀、電腦和網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。加濕器、傳感器、天線和濕度記錄儀放置在密封箱內(nèi)，電腦與濕度記錄儀相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和濕度的變化。天線放置在濕度傳感器正上方10mm處，并且與外界的網(wǎng)絡(luò)分析儀相連。
用HFSS仿真得出傳感器的諧振頻率為114MHz，測(cè)得濕度傳感器實(shí)際的諧振頻率為113.7121MHz，兩者結(jié)果基本吻合，說明了設(shè)計(jì)的可行性。圖5所示為濕度傳感器的諧振頻率隨著濕度變大而呈線性減小。圖6為傳感器諧振頻率和濕度線性擬合的曲線，當(dāng)濕度從50%ＲH變化到88%ＲH的時(shí)候，傳感器諧振頻率從113.7121MHz變化到92.3115MHz，靈敏度為0.545MHz/%ＲH。同時(shí)，研究了溫度對(duì)濕度傳感器諧振頻率的影響，如圖7所示，從圖中可以看出當(dāng)溫度從30℃變化到160℃的時(shí)候，諧振頻率大約變化了1.2MHz左右。在搭建的濕度測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)濕度
從50%ＲH變化到88%ＲH時(shí)，溫度從30℃變化到33℃，也就是說，溫度對(duì)濕度傳感器的諧振頻率影響很小，可忽略不計(jì)。
4結(jié)論
闡述了濕度傳感器的設(shè)計(jì)制備和測(cè)試過程，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出濕度傳感器的諧振頻率隨著濕度的增大而呈線性減小，靈敏度為0.545MHz/%ＲH。研究了溫度對(duì)傳感器諧振頻率的影響，結(jié)果表明小范圍的溫度變化對(duì)傳感器諧振頻率的影響可以忽略不計(jì)。下一步工作將在濕度傳感器的制備過程和電感線圈的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改善，同時(shí)也要提高濕度傳感測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量精度。