【摘要】：LC諧振式濕度傳感器因無源無線,可極大拓展傳感器應(yīng)用范圍,已成為濕度傳感器的研究熱點之一。將超常媒質(zhì)(metamaterials)應(yīng)用在諧振器的結(jié)構(gòu)選擇上,解決了傳統(tǒng)LC諧振式傳感器尺寸過大,靈敏度較低的問題。濕度傳感器由電耦合LC諧振器(ELC諧振器)和聚乙烯醇(PVA)敏感薄膜構(gòu)成。首先利用電磁仿真軟件,分析ELC諧振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振特性的影響,設(shè)計和制作諧振頻率為2.45 GHz的諧振器,品質(zhì)因數(shù)達到302。然后通過滴涂法將制備好的感濕材料聚乙烯醇溶液涂敷在ELC諧振器表面制作濕度傳感器,并進行了濕度敏感測試。實驗結(jié)果顯示:ELC諧振器在全頻段內(nèi)磁導(dǎo)率均為正,在頻段2.19 GHz~2.98 GHz內(nèi)介電常數(shù)為負,具有超常媒質(zhì)特性;濕度傳感器在相對濕度35%RH~88%RH范圍內(nèi),諧振頻率共偏移69.875 M,且在83%~88%RH濕度范圍內(nèi)感濕靈敏度η達到71.5 MHz/%RH。研究表明ELC諧振器因超常媒質(zhì)特性實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小型化,且由于品質(zhì)因數(shù)較高改善了濕度靈敏度。
【圖文】：

被動式ＲFID應(yīng)力傳感器［17］和ＲFID溫度傳感器［18］�？梢灶A(yù)見，將超常媒質(zhì)應(yīng)用在濕度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將是實現(xiàn)小型化和提高濕度傳感器性能的一種有益嘗試。本文選擇ELC諧振器［19］作為傳感器結(jié)構(gòu)，通過涂覆濕度敏感薄膜聚乙烯醇(PVA)制成LC諧振式無源無線濕度傳感器，成功的將超常媒質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于濕度傳感器結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了工作于射頻段、低功耗、高靈敏度和小型化等特性。實驗結(jié)果表明涂覆聚乙烯醇(PVA)濕敏薄膜的ELC諧振器對濕度敏感，且高濕時感濕靈敏度較高，可用于目標環(huán)境的相對濕度檢測。圖1濕度傳感器1濕度傳感器理論探究1．1濕度傳感器結(jié)構(gòu)濕度傳感器剖面圖如圖1(a)所示。圖中灰色部分為TaconicTLX_8基板，高度為hsub，介電常數(shù)為2．55，損耗角正切值為0．0019，是一種高性能射頻微波板材;黑色部分為金屬銅構(gòu)成的微帶線結(jié)構(gòu)，，銅厚h為0．018mm;白色部分為涂敷在銅結(jié)構(gòu)表面的聚乙烯醇敏感薄膜，三者高度滿足hsub＞hPVA＞h。圖1(b)為針對其LC諧振式工作原理所設(shè)計的濕度檢測框圖。兩個天線分別連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口上作為收發(fā)天線，濕度傳感器位于電磁波傳輸路徑上，將吸收特定頻率的電磁波，使接收端接收到帶有諧振信息的電磁波。通過檢測電磁波的插入損耗(S21)，可獲得傳感器諧振特性隨濕度變化的規(guī)律，從而實現(xiàn)目標環(huán)境的濕度檢測。圖21．2ELC諧振器ELC諧振器作為濕度傳感器結(jié)構(gòu)主要有兩點原因:從性質(zhì)上講，因具有超常媒質(zhì)特性，使其更易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化和良好的諧振特性，有利于提高傳感器性能;從結(jié)構(gòu)上講，其結(jié)構(gòu)簡單且高度對稱，設(shè)計簡單，如圖2(a)所示。諧振器被一垂直于其表面的電磁波激勵后，位于中間用于提供電容的結(jié)構(gòu)強烈耦合電場，驅(qū)動整個LC諧振電路

第3期薛嚴冰，孟影等:基于ELC諧振器的濕度傳感器綜合ELC諧振器結(jié)構(gòu)和其等效電路模型，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)可分成電感參數(shù)和電容參數(shù)。電感參數(shù)包括電感結(jié)構(gòu)長度L，寬度W和線寬d1;電容參數(shù)包括電容結(jié)構(gòu)長度LC，間隙gC和線寬g1。利用HFSS(HighFre-quencyStructureSimulator)軟件建立了諧振器模型，如圖3所示。ELC諧振器位于一個正方體的空氣腔中心，其中空氣腔前后兩個面設(shè)置成理想磁邊界，上下兩個面設(shè)置成理想點電邊界，用來模擬沿Z軸方向傳播的電磁波。通過參數(shù)優(yōu)化方法，仿真研究了6個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振特性的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4結(jié)構(gòu)參數(shù)影響圖3ELC諧振器仿真模型圖4(a)～圖4(c)說明了電感參數(shù)對諧振頻率影響，電感結(jié)構(gòu)長度L或?qū)挾萕增加均會增加電感，從而實現(xiàn)諧振頻率的降低，S21幅值也越來越小;圖4(c)表明減小電感結(jié)構(gòu)線寬d1也可以增加電感，進而減小諧振頻率;圖4(d)和圖4(e)顯示隨著電容結(jié)構(gòu)長度LC增加或間隙gC減小，其諧振頻率會隨著電容值的增大而減小，但諧振特性也隨之變差;從圖4(f)可以看出電容線寬g1增加，諧振頻率會有所降低，但不明顯。綜上可知，為了保證諧振特性良好，可通過改變電感參數(shù)進行諧振頻率粗調(diào)，采用電容結(jié)構(gòu)參數(shù)進行微調(diào)。1．3感濕機理仿真通過HFSS對電容型感濕機理進行仿真。在圖3所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在基板上側(cè)添加一個厚度為0．2mm的面構(gòu)造涂覆濕敏薄膜的ELC諧振器模型;通過薄膜相對介電常數(shù)εr變化模擬環(huán)境濕度變化，圖5為相對介電常數(shù)εr變化范圍為1～5時的S21。從圖中可以看出隨著εr增加，其諧振頻率減小且S21幅值基本不變。綜上可知，通過諧振頻率的偏移可以實現(xiàn)對環(huán)境相對濕度的檢測。343

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 高迎春;陶瓷濕度傳感器[J];傳感器技術(shù);1983年03期

2 郭秀芬;陶瓷濕度傳感器[J];壓電與聲光;1984年06期

3 何希才,尤克;濕度傳感器的選用[J];儀表技術(shù)與傳感器;1990年02期

4 孫秉軍;試談濕度傳感器技術(shù)與應(yīng)用[J];儀器儀表與分析監(jiān)測;1994年03期

5 閻軍,王玉琦;濕度傳感器的研究開發(fā)和應(yīng)用[J];自動化博覽;1994年02期

6 ;國內(nèi)外部分濕度傳感器參數(shù)測試及選型[J];傳感器世界;1996年11期

7 吳瓊;采用高分子材料的濕度傳感器[J];自動化與儀表;2000年05期

8 向馗,何聞,李揚;濕度傳感器復(fù)阻抗測量方法的研究[J];儀表技術(shù)與傳感器;2001年11期

9 趙秀珍,王乃釗,毛文華;光照度、空氣溫/濕度傳感器的研究和實驗[J];中國儀器儀表;2002年01期

10 王志剛;物性型濕度傳感器的物理性能及其應(yīng)用[J];現(xiàn)代物理知識;2004年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 王陽;陳軍寧;柯導(dǎo)明;孟堅;;濕度傳感器的分類及研究[A];全國第16屆計算機科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用（CACIS）學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

2 侯建軍;;電子式濕度傳感器的選擇[A];四川省電子學(xué)會傳感技術(shù)第九屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2005年

3 李小兵;楊明紅;廖招龍;;端面鍍膜的光纖濕度傳感器的實驗研究[A];中國光學(xué)學(xué)會2010年光學(xué)大會論文集[C];2010年

4 朱岳輝;;濕度傳感器示值誤差測量結(jié)果不確定度的評定[A];江蘇省計量測試學(xué)會2005年論文集[C];2005年

5 周鋒;張淑娟;劉泰宏;丁立平;房喻;;基于靜電紡絲法熒光濕度傳感器的制備[A];中國化學(xué)會第28屆學(xué)術(shù)年會第11分會場摘要集[C];2012年

6 謝曉;王文;何世堂;;涂覆聚苯胺的聲表面波濕度傳感器實驗研究[A];中國聲學(xué)學(xué)會第十屆青年學(xué)術(shù)會議論文集[C];2013年

7 曾歡歡;趙湛;王奇;方震;張博軍;;聚酰亞胺電容式濕度傳感器的研制及改進[A];中國微米、納米技術(shù)第七屆學(xué)術(shù)會年會論文集（一）[C];2005年

8 李揚;鄧超;楊慕杰;;交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/聚吡咯復(fù)合濕度傳感器的制備及其濕敏響應(yīng)特性研究[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2011年

9 向光華;忽滿利;喬學(xué)光;劉玉;;基于光纖Bragg光柵的濕度傳感器的設(shè)計與研究[A];2011西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2011年

10 鄧超;李揚;楊慕杰;;測定低濕環(huán)境濕度的聚電解質(zhì)/石墨烯復(fù)合濕度傳感器的制備及其濕敏特性研究[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前7條

1 重慶中易電測技術(shù)研究所;濕度傳感器與濕度變送模塊[N];電子報;2000年

2 吳瓊;高分子材料在濕度傳感器中的應(yīng)用[N];中國電子報;2000年

3 ;全數(shù)字三端式濕度傳感器研制成功[N];中國電子報;2002年

4 ;ABB新型紅外濕度傳感器面向紙業(yè)[N];消費日報;2010年

5 江西 李靖 編譯;3種濕度傳感器的應(yīng)用電路[N];電子報;2011年

6 重慶 潘建;集成溫度傳感器IH3602及其應(yīng)用[N];電子報;2001年

7 青化 摘譯;簡易濕度表[N];電子報;2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 江凱;基于有機多孔聚合物的濕度傳感器的研究[D];吉林大學(xué);2016年

2 姚堯;氧化石墨烯的濕敏特性及其在微納濕度傳感器上的應(yīng)用[D];西南交通大學(xué);2013年

3 趙振剛;碳納米管濕度傳感器敏感特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

4 丁喜波;電容式濕度傳感器測試方法與測試系統(tǒng)研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2005年

5 王蕊;基于幾種介孔結(jié)構(gòu)材料的電阻型濕度傳感器的性能研究[D];吉林大學(xué);2010年

6 賀媛;BaTiO_3納米纖維濕度傳感性能的研究[D];吉林大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 杜鵬;基于高取向生長的納米TiO_2濕度傳感系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D];西南交通大學(xué);2015年

2 劉U

本文編號：2704809