通過(guò)濕度感應(yīng)技術(shù)與近場(chǎng)電磁耦合原理相結(jié)合，構(gòu)成了基于氧化鋁陶瓷的無(wú)線無(wú)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(guò)讀取天線將傳感器頻率信號(hào)讀取出來(lái)。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(kāi)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(guó)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(guó)發(fā)展起來(lái)。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(lái)，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(zhǎng)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(guó)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(wú)線無(wú)源濕度傳感器，成為濕度傳感器未來(lái)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(wú)線無(wú)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(zhǎng)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(jiǎn)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(shuō)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(shuō)，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(guò)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(guò)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。