基于ELC諧振器的濕度傳感器*

薛嚴(yán)冰,孟 影,宋 智

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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基于ELC諧振器的濕度傳感器*

薛嚴(yán)冰*,孟 影,宋 智

(大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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(diǎn)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(dá)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(jìn)行了濕度敏感測試。實(shí)驗(yàn)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(fù),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(dá)到71.5 MHz/% RH。研究表明ELC諧振器因超常媒質(zhì)特性實(shí)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。

濕度傳感器;超常媒質(zhì);ELC諧振器;PVA薄膜

自20世紀(jì)30年代,LiCl電解質(zhì)電阻型濕度傳感器問世以來,濕度傳感器在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器種類很多,按照其工作原理可分為伸縮式、蒸發(fā)式、露點(diǎn)式和電子式等,電子式濕度傳感器以電阻型[1]、電容型[2-4]較為常見。目前濕度傳感器的研究多集中在新型濕敏材料[5-7]和與CMOS工藝兼容的新型濕度傳感器結(jié)構(gòu)[8-9]兩個方面。

隨著物流行業(yè)和產(chǎn)品包裝業(yè)的飛速發(fā)展,為減小產(chǎn)品由于運(yùn)輸和貯存過程中受潮損壞造成的損失,市場對低成本、低功耗和可印刷的濕度傳感器有巨大需求。LC諧振式無源無線濕度傳感器引起了部分研究者的關(guān)注[10-12],該濕度傳感器基于電容型傳感機(jī)制,其電容值受環(huán)境中相對濕度控制,將電容變化量通過LC諧振器轉(zhuǎn)換成諧振頻率,利用電磁波諧振頻率的偏移來間接反映環(huán)境中的相對濕度(RH)的變化。目前研究報道的LC諧振式濕度傳感器結(jié)構(gòu)大多由叉指電容結(jié)構(gòu)和螺旋電感并聯(lián)組成。這種諧振器結(jié)構(gòu)存在尺寸較大,工作頻率較低,且諧振器品質(zhì)因數(shù)較低,濕度傳感器靈敏度不高等問題。

近年來,超常媒質(zhì)(Metamaterials)尤其是單負(fù)媒質(zhì)的應(yīng)用受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。將超常媒質(zhì)應(yīng)用在微波傳感器領(lǐng)域,已成為一個非常有潛力的技術(shù)[13]。經(jīng)典的超常媒質(zhì)開口諧振環(huán)SRR(Split Ring Resonator)結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)了微波生物傳感器[14]、應(yīng)力傳感器[15]和角度、位置、速度傳感器[16]等。此外基于復(fù)合左右手傳輸線(CRLH-TL)的超常媒質(zhì)已實(shí)現(xiàn)了被動式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(shí)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(shí)現(xiàn)了工作于射頻段、低功耗、高靈敏度和小型化等特性。實(shí)驗(yàn)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(biāo)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Taconic TLX_8基板,高度為hsub,介電常數(shù)為2.55,損耗角正切值為0.001 9,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0.018 mm;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(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境的濕度檢測。

圖2

1.2 ELC諧振器

ELC諧振器作為濕度傳感器結(jié)構(gòu)主要有兩點(diǎn)原因:從性質(zhì)上講,因具有超常媒質(zhì)特性,使其更易實(shí)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(qiáng)烈耦合電場,驅(qū)動整個LC諧振電路;位于兩邊的用于提供電感的環(huán)形結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)高度對稱使其磁耦合非常弱。圖2(b)為其對應(yīng)的等效電路模型。圖中Cg為ELC諧振器中位于中間的電容結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙電容,Cp則為單胞周期排列時相鄰單胞所產(chǎn)生的胞間電容,電感L則為兩個高度對稱的電感環(huán)所產(chǎn)生的電感,該LC并聯(lián)諧振電路的諧振頻率為[19]:

(1)

C=(CgCp)/(Cg+Cp)

(2)

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(HighFrequencyStructureSimulator)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(diǎn)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3 ELC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(shí)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(jìn)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(jìn)行諧振頻率粗調(diào),采用電容結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

1.3 感濕機(jī)理仿真

通過HFSS對電容型感濕機(jī)理進(jìn)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0.2 mm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(shí)現(xiàn)對環(huán)境相對濕度的檢測。

圖5 感濕機(jī)理仿真

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 ELC諧振器設(shè)計和制作

根據(jù)上述所得的電感參數(shù)粗調(diào),電容參數(shù)微調(diào)設(shè)計原理,通過HFSS軟件對ELC諧振器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使其諧振頻率為2.45 GHz?；搴穸葹?.5 mm,其余優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

利用濕法蝕刻制作ELC諧振器。通過將接收和發(fā)送天線連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(AV3629A),測量位于電磁波傳輸路徑中的ELC諧振器的插入損耗S21,進(jìn)而得到其諧振特性。實(shí)驗(yàn)中所用收發(fā)天線為設(shè)計制作的微帶圓盤單極子超寬帶天線,其-10 dB工作頻帶為1.9 GHz～11.2 GHz。

2.2 PVA濕敏薄膜制備

本文采用PVA(Sigma Aldritch,PVA-363138)作為原材料配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的濕敏溶液。首先,稱取1 g的PVA絮狀固體;用玻璃棒攪拌的同時,將PVA緩慢加入20 ℃左右的混合溶液(去離子水∶乙醇=3∶1)中浸潤,使其充分溶解;先在60 ℃左右磁力攪拌40 min,隨后使溫度緩慢上升至80 ℃左右磁力攪拌50 min,直到溶液中不再含有小顆粒且成粘稠狀為止;最后,冷卻3 h,已備使用。

對ELC諧振器進(jìn)行預(yù)處理后,利用滴涂法進(jìn)行涂膜。首先,利用移液槍取0.35 mL已配好的PVA溶液均勻的滴涂在ELC諧振器上表面;最后于60 ℃恒溫干燥箱中進(jìn)行薄膜的固化。圖6為制作的濕度傳感器樣品。

圖6 濕度傳感器樣品

2.3 濕敏測試

濕敏測試系統(tǒng)如圖7所示,由濕度控制單元,濕度傳感器,收/發(fā)天線,溫濕度記錄儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等組成。測試箱中兩個相同的微帶圓盤天線通過密閉罐的氣密孔連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上用于測量S21。濕度傳感器位于兩個天線之間,傳感器背面沒有金屬地,所以可以通過任一側(cè)天線將其諧振特性讀出。實(shí)驗(yàn)中通過濕度控制單元調(diào)節(jié)需測試的濕度范圍35% RH～88% RH,溫度幾乎保持在22 ℃左右,濕度調(diào)節(jié)方法如下:利用微量進(jìn)樣器向密閉罐中的加熱板注入一定量水滴,通過繼電器定時加熱,同時通過內(nèi)部風(fēng)扇實(shí)時將濕度吹勻來提升相對濕度。實(shí)驗(yàn)中通過反復(fù)上述步驟對罐內(nèi)濕度進(jìn)行控制。

圖7 濕度傳感器測試系統(tǒng)

圖8 諧振特性曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 ELC諧振器諧振特性

3.1.1 ELC諧振器諧振特性

將實(shí)驗(yàn)測試和仿真所得ELC諧振器的諧振特性曲線進(jìn)行對比,如圖8所示。從圖8提取相關(guān)特性參數(shù)見表2,其中品質(zhì)因數(shù)Q計算公式[20]如下:

Q=fr/(BW3 dB)

(3)

式中:fr為諧振頻率,BW3 dB為3 dB帶寬。

表2 諧振器特性參數(shù)對比

由表2可知仿真和測試所得諧振頻率誤差為2.7%,品質(zhì)因數(shù)誤差為5%。文獻(xiàn)[11]中由叉指電容和螺旋電感并聯(lián)構(gòu)成的傳感器Q值大小為58.771 6,對比可見ELC諧振器的Q值較大。ELC諧振器頻率選擇性較好,這將有助于提高濕度檢測的靈敏度。

3.1.2 ELC諧振器結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計ELC諧振器的超常媒質(zhì)特性,需對其進(jìn)行磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε的提取,以分析其結(jié)構(gòu)性質(zhì)[21]。計算方法如下:

μ=nz

(4)

μ=μ′-iμ″

(5)

ε=n/z

(6)

ε=ε′-iε″

(7)

式(5)中μ的實(shí)部μ′反映材料磁能存儲能力,常表示成材料的相對磁導(dǎo)率μr;虛部μ″則表示外加磁場作用下材料磁偶矩重排引起的損耗,反映材料對電磁波產(chǎn)生損耗的能力;式(7)中ε的實(shí)部ε′反映材料電能存儲能力,常表示成材料的相對介電常數(shù)εr;虛部ε″則表示材料的介電損耗。式(4)和式(6)中復(fù)數(shù)z,n分別為阻抗和折射率,可通過下式求得。

(8)

(9)

(10)

式中:S11和S21分別為回波損耗和插入損耗,由HFSS仿真所得。k為自由空間入射波的波數(shù),d為傳播方向上基板的有效厚度,即波導(dǎo)高度。將式(8)分成兩種情況來確定z,n的符號:第1種當(dāng)z的實(shí)部Real(z)不接近于零時,采用Real(z)≥0來確定z的符號,從而也可以確定對應(yīng)頻點(diǎn)n的符號;第2種當(dāng)Real(z)接近于0時,由于此時S11和S21一個小波動都可能會使得z,n符號改變,從而造成z,n的不連續(xù),所以采用z,n的關(guān)系來消除不連續(xù)性,即令式(10)在該頻段內(nèi)滿足Imag(n)≥0,反過來確定z的符號。圖9為ELC諧振器的本構(gòu)參數(shù)提取圖。從圖中可以看出,ELC諧振器整個頻段內(nèi)磁導(dǎo)率均為正,在頻段2.19GHz～2.98GHz內(nèi)具有負(fù)介電常數(shù),說明ELC諧振器具有超常媒質(zhì)特性,可以提高諧振特性。

圖9 本構(gòu)參數(shù)提取圖

3.2 濕敏特性

東北航線設(shè)定為摩爾曼斯克—白令海峽—寧波，北極—蘇伊士航線設(shè)定為摩爾曼斯克—蘇伊士運(yùn)河—馬六甲海峽—寧波。

3.2.1 濕敏特性實(shí)驗(yàn)

在35% RH～88% RH的濕度范圍內(nèi)測量了傳感器的S21,如圖10(a)所示。圖中顯示ELC諧振器的諧振頻率從45% RH開始偏移,且隨著相對濕度逐漸提高,S21曲線總體左移,即諧振頻率逐漸減小;在測試濕度范圍內(nèi),該濕度傳感器的諧振頻率共偏移了69.875 MHz。

圖10 濕度敏感測試曲線

圖11 諧振頻率fr和頻偏Δfr隨相對濕度的變化曲線

由圖10可以獲得諧振頻率fr和對應(yīng)的諧振頻率偏移量Δfr同相對濕度間的關(guān)系,如圖11所示。圖11中隨著相對濕度的增加,諧振頻率從2.21 GHz(35% RH)降低到2.14 GHz(88% RH)。以最高諧振頻率2.21 GHz(RH35%)作為參考頻率0,在35% RH～75% RH濕度范圍內(nèi)諧振頻率的偏移量較小,變化相對緩慢;75% RH～88% RH濕度范圍內(nèi)諧振頻率偏移量較大,變化較快。

用感濕靈敏度η來定量表示濕度傳感器的敏感特性指標(biāo),將其定義為相鄰濕度之間的平均頻偏[22]。計算方法如下:

(11)

式中:RH1和RH2為相鄰的兩個相對濕度值,f1和f2為對應(yīng)濕度上的諧振頻率,η單位為MHz/% RH。根據(jù)式(11)計算該濕度傳感器在測量濕度范圍內(nèi)的η,見表3。表中可見,高濕時感濕靈敏度較大,在88% RH時已達(dá)到71.5 MHz/% RH,遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[22]中給出的42.7 MHz/% RH。

表3 35% RH～88% RH感濕靈敏度η

3.2.2 濕敏特性分析

PVA是一種物理特性穩(wěn)定的吸濕性聚合物,其分子結(jié)構(gòu)式如圖12所示。由圖12可以看出其具有大量的親水性羥基(—OH),而羥基可與空氣中的水分子形成氫鍵從而吸附空氣中水分,也正是由于這種氫鍵的重組和斷裂使得PVA可以快速吸收或者解析水分,且快速與周圍環(huán)境濕度達(dá)到平衡。

圖12 PVA分子結(jié)構(gòu)式

當(dāng)目標(biāo)環(huán)境中相對濕度改變時,PVA薄膜會通過吸收或解析水使其介電常數(shù)實(shí)部εr相應(yīng)的增加或減小[23],進(jìn)而會引起傳感器結(jié)構(gòu)有效介電常數(shù)實(shí)部εreff發(fā)生變化。其中εreff根據(jù)式(12)計算[24]:

εreff=1+q1(εsub-1)+q2(εr-1)

(12)

式中:εsub為基板相對介電常數(shù),εr濕敏薄膜相對介電常數(shù),q1和q2均為與諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。又由式(1)知,ELC諧振器的諧振頻率由其結(jié)構(gòu)等效電感和等效電容共同決定,其電容值的計算公式[24]見式(13):

(13)

從圖10測試結(jié)果可以看出其S21曲線與圖5仿真結(jié)果存在差異。圖10中,當(dāng)相對濕度從50%RH逐漸增加時,S21曲線左移過程中由尖銳變得平坦,品質(zhì)因數(shù)逐漸減小,諧振點(diǎn)處S21幅值逐漸增大。這是由于在低頻率(≤5GHz)段PVA薄膜相對介電常數(shù)虛部(介電損耗)會隨著PVA薄膜中含水量的增加而減小,薄膜導(dǎo)電率δ也會因此減小,從而使得薄膜阻抗增大,與薄膜阻抗成反比關(guān)系的品質(zhì)因數(shù)也隨之減小,S21幅值隨之增大[23,25-26]。而圖5的仿真結(jié)果中沒有考慮PVA薄膜的固有介電特性,即相對介電常數(shù)虛部的影響,所以和圖10有所不同。

文獻(xiàn)[27]測量了PVA薄膜在各種濕度條件下的吸水率。濕度從15%增至65%RH時,其水含量增加約3%,而相對濕度從65%增至90%時,其水含量增加高達(dá)30%。該研究表明PVA薄膜在高濕條件下的吸水能力遠(yuǎn)大于低濕條件,這也正是圖11中出現(xiàn)高濕條件下諧振頻率偏移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低濕條件的原因所在。

4 結(jié)論

本文成功的將超常媒質(zhì)ELC諧振器應(yīng)用于LC諧振式無源無線濕度傳感器的結(jié)構(gòu)上,解決了LC諧振式無源無線濕度傳感器所面臨的尺寸大,諧振特性差的問題。研究過程中得出如下結(jié)論:

①通過仿真分析ELC諧振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振特性的影響,為保證諧振特性良好,得出了設(shè)計特定頻率ELC諧振器的方法:電感參數(shù)用于粗調(diào),電容參數(shù)用于微調(diào)。

②通過本構(gòu)參數(shù)提取法,證實(shí)ELC諧振器屬于超常媒質(zhì)。正因ELC諧振器具有這種特性,實(shí)現(xiàn)了品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到302,有效的改善了傳感器結(jié)構(gòu)的頻率選擇性,提高了利用頻移進(jìn)行相對濕度檢測的性能,且實(shí)現(xiàn)了僅17mm×17mm的小型化設(shè)計。

③由ELC諧振器和PVA敏感薄膜構(gòu)成了LC諧振式濕度傳感器。在相對濕度范圍35%RH～88%RH內(nèi)表現(xiàn)出極好的濕敏特性,諧振頻率偏移量近70MHz;在高濕范圍83%～88%RH內(nèi),感濕靈敏度η達(dá)到71.5MHz/%RH,明顯大于低濕條件下的感濕靈敏度;隨著濕度逐漸升高,Q值逐漸減小,S21幅值逐漸增大,諧振特性曲線偏移較明顯,這將有效提高相對濕度的檢測精度。

下一步工作將重點(diǎn)研究如何將感濕濕度范圍擴(kuò)大,探究感濕薄膜厚度對靈敏度的影響,進(jìn)一步提高濕度傳感器性能;將印刷技術(shù)與該濕度傳感技術(shù)相融合,研究可印刷在包裝紙上的低成本電子標(biāo)簽式濕度傳感器。

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薛嚴(yán)冰(1973-),女,分別于1994年,1997年于中北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,碩士學(xué)位,2009年于大連理工大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為大連交通大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體氣體傳感器及電路集成,dlxyb@djtu.edu.cn;

宋 智(1978-),女,2000年于遼寧工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位,2003年于長安大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2014年于大連海事大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為大連交通大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事天線設(shè)計、傳感器設(shè)計方面的研究,songzhi@djtu.edu.cn。

Humidity Sensor Based on ELC Resonator*

XUEYanbing*,MENGYing,SONGZhi

(College of Electrical and Information,Dalian Jiao Tong University,Dalian Liaoning 116028,China)

LC-resonanted humidity sensor has become a research focus which because it’s wireless passive and can extends application greatly. Metamaterials is selected as the resonator structure to deal with problems of large size and low sensitivity that the conventional LC-resonanted humidity sensor exists. The humidity sensor consists of an ELC resonator and polyvinyl alcohol film. Firstly,through analyzing the effect of the ELC resonator’s main structural parameters on resonant characteristics by electromagnetic simulation software,an ELC resonator is designed and made. It has a resonant frequency of 2.45 GHz and quality factor of 302. Then,the humidity sensor is fabricated through coating the prepared polyvinyl alcohol solution on the surface of ELC resonator by drop coating method. At last,its humidity sensitivity is tested by utilizing two antennas in microwave mode without any external circuit. The experimental results show that permeability is positive in the whole band and permittivity is negative from 2.19 GHz to 2.98 GHz. The experimental results show that this humidity sensor shifts 69.875 MHz totally when the relative humidity range from 35% RH to 88% RH and humidity sensitivity η reaches 71.5 MHz/% RH at 83% RH～88% RH. Studies show that ELC resonator as the humidity sensor’s structure achieves miniaturization and high quality factor which improves the humidity sensitivity due to its metamaterials’s property.

humidity sensors;metamaterials;ELC resonator;PVA film

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金(61201092;61471080);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃(LJQ2013047)

2016-08-25 修改日期:2016-11-16

TP212.2

A

1004-1699(2017)03-0341-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.002