基于激光直寫的柔性天線傳感器研究

張嘉琪，高 陽(yáng),2*，李 淳，鞠 寬，談建平，丁琰妍，軒福貞

1 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2 武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430074；3 香港科技大學(xué)土木與環(huán)境工程系，中國(guó) 香港 999077

1 引 言

激光直寫利用高分子材料的可碳化性，以高分子材料為基底，將激光光束作為局部光熱源對(duì)基底進(jìn)行碳化，在基底表面原位生成碳材料。2014 年，萊斯大學(xué)James Tour 團(tuán)隊(duì)利用波長(zhǎng)為10.64 μm 的CO2激光輻照聚酰亞胺薄膜，得到了疏松多孔的石墨烯堆積結(jié)構(gòu)，并用此技術(shù)制備了柔性超級(jí)電容器，從此拉開了激光直寫技術(shù)制備碳材料以及柔性電子器件的序幕[1]。激光直寫聚酰亞胺薄膜得到圖案化碳材料的技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，所以此技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備儲(chǔ)能器件[2-5]、應(yīng)力/應(yīng)變傳感器[6-9]、氣體傳感器[10-12]等多個(gè)領(lǐng)域。

聚酰亞胺(Polyimide，簡(jiǎn)稱PI) 是以酰亞胺基團(tuán)為特征結(jié)構(gòu)的聚合物，其具有良好的介電性能和抗輻射性能[13-15]，常作為功能材料應(yīng)用于集成電路[16-17]、復(fù)合材料[18-21]等多個(gè)領(lǐng)域。激光直寫聚酰亞胺會(huì)在材料表面生成具有良好電學(xué)性能的碳材料，通過(guò)這種方法獲得的碳基復(fù)合結(jié)構(gòu)可避免導(dǎo)電材料與基體的粘接問(wèn)題，可以簡(jiǎn)單、快捷地制備出以聚酰亞胺薄膜為基底的電子器件。碳化后的聚酰亞胺表面主要為疏松多孔的多層石墨烯結(jié)構(gòu)，其電導(dǎo)率可以達(dá)到5 S?cm?1～25 S?cm?1[1]。激光直寫聚酰亞胺薄膜獲得的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其表層為具有良好導(dǎo)電性的碳材料，底層為具有良好介電性能的聚酰亞胺薄膜，因此激光直寫技術(shù)適用于制備電磁器件，但目前在制備電磁相關(guān)電子器件的應(yīng)用較少。

天線是用于傳輸和發(fā)射電磁波的部件，其性能主要是由其結(jié)構(gòu)和材料所決定。不同結(jié)構(gòu)和材料的天線具有不同的諧振頻率、反射系數(shù)等。當(dāng)環(huán)境因素改變或者天線本身結(jié)構(gòu)尺寸改變時(shí)，其特征參數(shù)也會(huì)隨之改變，通過(guò)相關(guān)設(shè)備可以測(cè)得特征參數(shù)的改變，天線參數(shù)隨其它因素呈現(xiàn)規(guī)律性變化的特點(diǎn)使得天線也可作為傳感器使用。近年來(lái)，很多學(xué)者將天線傳感器用于監(jiān)測(cè)濕度[22-24]、溫度[22,24-25]、應(yīng)變[26-29]、裂紋[30-31]等參數(shù)。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Song 等人利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了一種基于納米銀線的可拉伸天線應(yīng)變傳感器[27]，其應(yīng)變靈敏度約為0.8667 kHz/με，可測(cè)量應(yīng)變范圍為0～15%。雖然其應(yīng)變測(cè)量范圍較大，但是靈敏度不高。此外，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備器件的過(guò)程較為復(fù)雜，且使用納米銀線作為導(dǎo)電材料增加了經(jīng)濟(jì)成本。除了將天線用作應(yīng)變感知，蒙納士大學(xué)的Amin 等人利用天線作為濕度傳感器[32]，他們將聚乙烯醇(PVA，polyvinyl-alcohol) 覆于天線表面，當(dāng)環(huán)境濕度增加時(shí)，聚乙烯醇吸水導(dǎo)致介電常數(shù)改變，從而影響天線的性能，以此達(dá)到濕度傳感的目的。這一器件的相對(duì)濕度測(cè)量范圍為55%～75%，在相對(duì)濕度為55%～65%和65%～75% 時(shí)，其靈敏度分別為7.9 MHz/RH%(relative humidity，相對(duì)濕度) 和12.6 MHz/RH%，這種天線濕度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但是其線性度較差。此外，將PVA 薄膜置于空氣中易脫水，天線傳感器性能會(huì)因此受到影響。在氣體傳感方面，首爾大學(xué)的Jun 等人將功能化的納米粒子覆于RFID 天線表面，當(dāng)環(huán)境中氨氣濃度不同時(shí)，天線的性能會(huì)隨之變化從而達(dá)到氨氣傳感的目的[33]。這種方法得到的氣體天線傳感器，可以通過(guò)使用不同的功能化材料達(dá)到監(jiān)測(cè)不同氣體的目的，但此方法制備工藝較為復(fù)雜。

基于激光直寫技術(shù)操作簡(jiǎn)單、速度快、結(jié)構(gòu)易調(diào)控等特點(diǎn)，本研究制備了一種環(huán)形天線傳感器，用于應(yīng)變和濕度感知。激光碳化后的聚酰亞胺表面呈現(xiàn)堆疊片層以及多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的電學(xué)性能。當(dāng)環(huán)境濕度和施加于天線的應(yīng)變改變時(shí)，天線的性能會(huì)隨之呈現(xiàn)規(guī)律性變化，通過(guò)測(cè)量天線諧振頻率的改變量可以達(dá)到應(yīng)變傳感和濕度傳感的目的。本文提出的天線傳感器的應(yīng)變傳感靈敏度為?8.943 kHz/με，濕度傳感靈敏度為?6.45 MHz/RH%。該天線傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用潛力。

2 樣品制備與表征

2.1 樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)中使用厚度為0.125 mm 的聚酰亞胺(Polyimide，PI) 薄膜作為基底，使用激光雕刻機(jī)(雪谷XG-1690A 7W)在PI 薄膜上面進(jìn)行激光直寫，制備出環(huán)形天線，如圖1 所示。其中，激光能量為6650 mW，速度為4000 mm/s，關(guān)于激光能量和激光速度的選擇見3.1 小節(jié)。

2.2 樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字式四探針測(cè)試儀(ST2253)測(cè)量碳化聚酰亞胺薄膜的電阻率。通過(guò)分析其電阻率確定最優(yōu)激光加工參數(shù)。

采用美國(guó)HORIBA 公司型號(hào)為HR800 的拉曼光譜儀對(duì)材料的碳化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，拉曼光譜儀激發(fā)波長(zhǎng)為633 nm。

采用Tescan 公司型號(hào)為Tescan Mira 3 的高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)材料的表面微觀形貌以及斷面微觀形貌進(jìn)行觀察分析。進(jìn)行斷面微觀形貌觀察時(shí)，將樣品置于液氮中，使樣品產(chǎn)生脆斷，觀察聚酰亞胺薄膜和碳化部分界面情況。

采用日本電子的JEM-2100 高分辨透射電鏡對(duì)材料的尺寸、形貌等進(jìn)行觀察分析。表征時(shí)，將少量樣品加入到無(wú)水乙醇中超聲分散，取少量樣品均勻分散液到325 目銅網(wǎng)上，干燥后進(jìn)行表征。

2.3 天線的傳感性能測(cè)試

應(yīng)變傳感性能的測(cè)量：將天線兩端固定在拉伸設(shè)備(ZHIQU，ZQ-990B) 上，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Anristu，MS46322B)測(cè)量天線在不同應(yīng)變下的天線性能參數(shù)，通過(guò)分析天線性能參數(shù)變化從而達(dá)到應(yīng)變測(cè)量的目的。

濕度傳感性能的測(cè)量：為了較好地控制環(huán)境濕度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將天線置于由亞克力透明罩子構(gòu)成的密閉環(huán)境中，在罩子內(nèi)放置一臺(tái)加濕器，通過(guò)加濕器改變環(huán)境的濕度，利用濕度計(jì)測(cè)量環(huán)境濕度。通過(guò)測(cè)量不同濕度下天線的性能參數(shù)，從而分析天線對(duì)于濕度的傳感性能。

抗溫度干擾性能的測(cè)量：由于天線信號(hào)易受到環(huán)境干擾，故在密閉環(huán)境中放置暖風(fēng)機(jī)，通過(guò)改變暖風(fēng)機(jī)的檔位改變環(huán)境的溫度，利用溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度，測(cè)量在不同溫度下天線的性能曲線，從而分析出天線在不同溫度下的性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 激光直寫柔性天線

圖1 為激光直寫聚酰亞胺薄膜制備天線傳感器的流程以及天線測(cè)量示意圖。聚酰亞胺是以酰亞胺基團(tuán)為特征結(jié)構(gòu)的一種聚合物，其具有良好的介電性能和抗輻射性能，適合作為柔性電子器件的基底材料。本文采用波長(zhǎng)為445 nm 的藍(lán)光對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行碳化，如圖1(a)所示，當(dāng)激光照到聚酰亞胺薄膜表面時(shí)，聚酰亞胺吸收激光的能量被碳化，由此可以在聚酰亞胺薄膜表面原位制備環(huán)形天線。如圖1(b)所示，本文利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其中天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)同軸線與SMA 接口進(jìn)行連接。

圖1 (a) 激光制備器件示意圖；(b) 天線測(cè)量示意圖Fig.1 (a) The fabrication process of laser direct writing;(b) The schematic diagram of antenna measurement

為確定激光碳化的最佳功率及速度，通過(guò)改變激光功率和設(shè)備運(yùn)行速度制備尺寸為10 mm×10 mm 的方形樣品，通過(guò)測(cè)量樣品的電阻率選擇最優(yōu)的激光加工參數(shù)。本文的激光功率設(shè)置范圍為3000 mW～7000 mW，激光速度為2000 mm/s～7000 mm/s。如圖2(a) 所示，在一定范圍內(nèi)樣品的電阻率與激光功率呈反比，與激光速度呈正比。以激光速度為7000 m/s 為例，當(dāng)激光速度保持不變時(shí)，隨著激光功率的增加，材料的電阻率呈先減小再增加的趨勢(shì)；以激光能量為5250 mW為例，當(dāng)激光功率保持不變時(shí)，隨著激光速度的增加，材料的電阻率增加。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增加激光功率和減小激光速度可以使聚酰亞胺碳化材料的電阻率降低，但過(guò)大的激光功率和過(guò)慢的掃描速度會(huì)導(dǎo)致聚酰亞胺薄膜出現(xiàn)過(guò)度碳化現(xiàn)象[2]，進(jìn)而導(dǎo)致材料電阻率變大，對(duì)器件產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與Jung 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]一致，激光速度的減小會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的激光能量增多，減小激光速度使碳化材料的電阻率降低與激光能量改變電阻率的原理一致[7]。從微觀結(jié)構(gòu)角度看，當(dāng)激光能量增加時(shí)，激光束強(qiáng)度在其直徑上的非均勻分布會(huì)導(dǎo)致碳化材料的過(guò)度碳化，使微觀結(jié)構(gòu)不平整，從而使材料的導(dǎo)電性能降低；從材料元素變化角度看，增大激光功率會(huì)使碳化聚酰亞胺的碳元素含量增加，氧/氮元素含量降低，碳化后的聚酰亞胺薄膜石墨化程度更好，從而降低電阻率[1]。綜上所述，適當(dāng)降低激光掃描速度和增加激光功率兩種方式增加碳化后的聚酰亞胺薄膜的導(dǎo)電性。如圖2(a)所示，碳化聚酰亞胺的最小電阻率約為2.4 Ω?cm，有多個(gè)實(shí)驗(yàn)條件可使材料電阻率達(dá)到較小數(shù)值，當(dāng)選擇激光功率較高的實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，可縮短制樣時(shí)間。綜合以上因素考慮，最終確定實(shí)驗(yàn)激光功率為6650 mW，激光速度為4000 mm/s。

圖2 (a) 激光功率和速率的優(yōu)化；(b) 拉曼圖；(c)，(d) 碳化聚酰亞胺薄膜表面及斷面的SEM 照片及其放大圖 ；(e)，(f) TEM 照片F(xiàn)ig.2 (a) The electronical property of polyimide after carbonization under different laser power and laser speed;(b) The Raman curve;(c),(d) The SEM and (e),(f) the TEM of carbonized polyimide film

圖2(b)為碳化聚酰亞胺材料的拉曼光譜圖。在拉曼光譜圖中可以看到碳材料的典型特征峰：D 峰和G 峰，分別在1300 cm?1和1580 cm?1附近。其中D峰表示的是碳原子晶格的缺陷、無(wú)序排列以及低對(duì)稱碳結(jié)構(gòu)，而G 峰表示的是碳原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動(dòng)。而碳材料結(jié)構(gòu)的有序度決定了D 峰與G 峰的峰面積比值[34]。通過(guò)擬合圖2(b)中的數(shù)據(jù)，D 峰面積與G 峰面積的比值為1.7，說(shuō)明本文制備的碳化材料存在一些缺陷，石墨化程度相對(duì)較低。石墨烯的存在，使得碳化聚酰亞胺材料具有良好的電學(xué)性能[35]、力學(xué)性能[36]以及較大的比表面積[37]。良好的電學(xué)性能使其可用于制備天線傳感器。器件受力之后產(chǎn)生的石墨烯片相對(duì)滑移使之能對(duì)外界機(jī)械刺激產(chǎn)生響應(yīng)，而較大的比表面積可以吸附空氣的水分，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度的測(cè)量。圖2(c)和2(d) 分別為聚酰亞胺碳化后的表面形貌和截面形貌。通過(guò)圖2(c)看到碳化后的聚酰亞胺表面呈堆疊的片狀結(jié)構(gòu)，右上角的高倍數(shù)局部放大圖顯示材料表面呈現(xiàn)凸起的、尺寸不同的、堆疊的片層結(jié)構(gòu)，這是由于激光照射時(shí)，聚酰亞胺薄膜的熱解和碳化會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等氣體。如圖2(d)所示，采用液氮脆斷形成樣品整潔斷面，通過(guò)斷面SEM 照片可以看到碳化層厚度約為40 μm，聚酰亞胺薄膜厚度約為125 μm，碳化部分呈多層堆疊片層和多孔結(jié)構(gòu)。圖2(e),2(f) 為碳化材料的TEM 圖，通過(guò)TEM 圖也可以看出材料的多層結(jié)構(gòu)，同時(shí)也說(shuō)明石墨烯的存在。如圖2(e) 所示，石墨烯片層尺寸從1 μm 至6 μm 不等，片層結(jié)構(gòu)尺寸呈現(xiàn)多樣化。如圖2(f)所示，存在多層石墨烯堆疊結(jié)構(gòu)。上述微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均說(shuō)明碳化后的聚酰亞胺易吸附空氣中的水分子，使材料電學(xué)性能改變，進(jìn)而影響天線的性能參數(shù)。此外，多孔化的海綿結(jié)構(gòu)和片層堆疊的結(jié)構(gòu)使材料承受應(yīng)力時(shí)，電學(xué)性能易隨之改變，進(jìn)而影響天線的性能。綜上，激光碳化聚酰亞胺薄膜的方法適合制備用于傳感的天線傳感器。

3.2 天線應(yīng)變傳感性能分析

如圖3 所示，為了驗(yàn)證環(huán)形天線的應(yīng)變傳感能力，對(duì)環(huán)形天線在不同應(yīng)變下的天線性能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)。其中，圖3(a),3(b)中縱坐標(biāo)S11 是天線的回波損耗，該參數(shù)表示天線的發(fā)射效率，S11 的值越大，表示其本身反射回來(lái)的能量越大，此時(shí)天線的效率越差。首先，利用Comsol 對(duì)環(huán)形天線進(jìn)行了模擬，說(shuō)明環(huán)形天線具有應(yīng)變傳感的能力。不同應(yīng)變下天線諧振頻率變量的模擬值如圖3(c)所示，模擬結(jié)果說(shuō)明在應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，天線的諧振頻率隨之減小。通過(guò)線性擬合模擬數(shù)據(jù)可以得到，環(huán)形天線靈敏度的模擬值為?10.069 kHz/με。如圖3(a)左下角插圖所示，為環(huán)形天線實(shí)物圖，在激光制備的天線傳感器兩端施加力，使天線產(chǎn)生應(yīng)變，在不同應(yīng)變下天線的性能曲線如圖3(a)所示，隨著應(yīng)變的增加，天線的諧振頻率減小。當(dāng)施加在環(huán)形天線兩側(cè)的應(yīng)變?從0～1.0 %時(shí)，天線的諧振頻率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其中，應(yīng)變 ε的計(jì)算公式為

圖3 (a) 在不同應(yīng)變下環(huán)形天線的性能曲線；(b) 應(yīng)用于測(cè)量金屬拉伸應(yīng)變時(shí)天線傳感器的性能曲線 ；(c) 天線傳感器實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)擬合曲線；(d) 環(huán)形天線的重復(fù)性及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(e) 同一樣品不同時(shí)間的天線諧振頻率及靈敏度；(f) 不同樣品的天線諧振頻率及靈敏度Fig.3 (a) The curves of the refection coefficient (S11) for the circle antenna sensor at different applied strain;(b) The schematic diagram of antenna sensor for measuring the strain of metal sample and the curves of the refection coefficient (S11);(c) The fitting curves of circle antenna sensor by experiments and simulation;(d) The curves of the refection coefficient (S11) for the circle antenna sensor at different times and the curves of the refection coefficient (S11) for different circle antenna sensors;(e) The resonance frequencies and sensitivities of the antenna sensor at different times;(f) The resonance frequencies and sensitivities of different samples

式中：Lstrain為拉伸后樣品長(zhǎng)度，L0為樣品原始長(zhǎng)度。環(huán)形天線的諧振頻率fcircle計(jì)算公式為

式中：C為天線等效寄生電容值，L為天線等效電感值。通過(guò)公式可以得到，環(huán)形天線的諧振頻率取決于等效寄生電容值和等效電感值，等效寄生電容值與天線系數(shù)和介電常數(shù)相關(guān)，而這兩個(gè)參數(shù)均為定值，等效寄生電容值不會(huì)隨著天線的形變而改變，因此環(huán)形天線的諧振頻率主要取決于環(huán)形天線的等效電感值。關(guān)于天線等效電感值的計(jì)算公式為

式中：l1為一圈天線導(dǎo)線環(huán)的長(zhǎng)度，D1為線圈導(dǎo)線寬度，K表示天線系數(shù)(定值)，N為線圈匝數(shù)。根據(jù)環(huán)形天線計(jì)算公式可以得到，環(huán)形天線導(dǎo)線環(huán)長(zhǎng)度增加時(shí)，天線等效電感值變大，從而使天線諧振頻率變小。通過(guò)圖3(a)～3(c)，可以得到本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。為了進(jìn)一步分析天線諧振頻率隨著應(yīng)變的變化規(guī)律，如圖3(c)所示，將不同應(yīng)變下天線的諧振頻率改變量與應(yīng)變之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，通過(guò)下列公式計(jì)算應(yīng)變傳感靈敏度：

式中：GFfreq表示應(yīng)變傳感的靈敏度，fstrain為拉伸后天線的諧振頻率，f0為天線初始頻率，ε為應(yīng)變，單位為με(1 με 等于樣品原長(zhǎng)的1/106)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到，環(huán)形天線在直接承受應(yīng)變時(shí)，其靈敏度為?7.985 kHz/με。

為了驗(yàn)證天線傳感器的實(shí)用性，將本文制備的環(huán)形天線傳感器貼于金屬試樣表面，對(duì)金屬試樣進(jìn)行拉伸，圖3(b)左側(cè)插圖為環(huán)形天線貼于金屬試樣的實(shí)物圖。為了使金屬試樣拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變可以較好地傳遞到環(huán)形天線上，使用彈性模量大的強(qiáng)力膠將環(huán)形天線貼于金屬試樣表面。金屬試樣拉伸時(shí)，環(huán)形天線的性能曲線如圖3(b)所示，可以看到應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，天線諧振頻率隨之減小，與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。但值得關(guān)注的是，當(dāng)環(huán)形天線置于金屬試樣表面，應(yīng)變?yōu)?(即未拉伸狀態(tài))且環(huán)境濕度保持一致時(shí)，環(huán)形天線的諧振頻率由原來(lái)的3.0728 GHz 變?yōu)?.5783 GHz，這是由于當(dāng)天線置于金屬試樣表面時(shí)，相當(dāng)于將環(huán)形天線底部增加了一個(gè)接地板，從而改變天線結(jié)構(gòu)，使天線諧振頻率發(fā)生偏移，但環(huán)形天線的諧振頻率隨應(yīng)變的改變?nèi)猿室?guī)律性變化。為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3(c)所示，將環(huán)形天線諧振頻率與施加應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到靈敏度為?8.943 kHz/με，與前述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相差較小，說(shuō)明其具有實(shí)際應(yīng)用意義。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)將傳感器貼于金屬試樣表面時(shí)，存在剪切滯后效應(yīng)[31]，這是圖3(a)與圖3(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在差異的重要原因。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)未能完全一致，主要在于模擬時(shí)，相關(guān)參數(shù)均為理想材料和理想邊界，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在外界環(huán)境干擾等，但是模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性。通過(guò)圖3(a),3(b)可以看到，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，S11 呈增大趨勢(shì)，這說(shuō)明當(dāng)應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，會(huì)導(dǎo)致碳化聚酰亞胺薄膜產(chǎn)生裂紋[38]，電學(xué)性能變差，導(dǎo)致天線的損耗變大，其回波損耗隨之變大。圖3(c)中，純拉伸與應(yīng)用于金屬拉伸的天線傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果線性度較差，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.91685 和0.81238，與模擬值的相關(guān)系數(shù)0.99439 相差較大，除了由于前述的剪切滯后效應(yīng)以及模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件存在差距，還可能是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差。本文通過(guò)SMA 轉(zhuǎn)接口將同軸線與天線相連，SMA 與天線連接時(shí)產(chǎn)生附加電容[28]，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。上述因素均會(huì)對(duì)天線傳感器的測(cè)試結(jié)果造成影響，導(dǎo)致傳感器的線性度較差以及靈敏度不一致。針對(duì)這些影響因素，應(yīng)在后續(xù)的研究工作中，進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)以及模擬條件優(yōu)化，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

為了驗(yàn)證天線傳感器的穩(wěn)定性及可重復(fù)性，以最優(yōu)的激光直寫參數(shù)制備了如下樣品：1) 4 組天線傳感器(編號(hào)為樣品1～4)；2)以樣品1 為研究對(duì)象，對(duì)比了其在無(wú)封裝條件下1 個(gè)月以及4 個(gè)月后的性能參數(shù)。由圖3(d) 和3(e) 可以看出樣品1 的諧振頻率和應(yīng)變靈敏度在1 個(gè)月后和4 個(gè)月后變化較小，證明了器件的良好穩(wěn)定性。由圖3(d) 和3(f) 可以看出樣品1～4的諧振頻率以及應(yīng)變靈敏度變化較小，證明了器件的良好重復(fù)性。

3.3 天線濕度傳感性能及抗溫度干擾性能分析

圖4 為相對(duì)濕度在65%～95%時(shí)天線的性能曲線，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知環(huán)形天線對(duì)于濕度有良好的響應(yīng)。其中，圖4(a)為不同濕度下環(huán)形天線的性能曲線，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，隨著濕度的增加，環(huán)形天線的諧振頻率減小，這是由于激光直寫獲得的天線表面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)濕度增加時(shí)，碳化后的聚酰亞胺會(huì)吸收環(huán)境中的水分，因此會(huì)影響其電學(xué)性能，從而改變天線的性能。其中，單層石墨烯結(jié)構(gòu)可以有效地吸收水分子，從而導(dǎo)致其電學(xué)性能的改變[39]。此外，吉林大學(xué)的Guo 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，多層石墨烯結(jié)構(gòu)對(duì)于水分子的吸附能力較強(qiáng)，在吸附水分子后，材料的電學(xué)性能會(huì)發(fā)生改變[40]。為了進(jìn)一步分析濕度與天線諧振頻率改變量的關(guān)系，如圖4(b)所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，濕度傳感的靈敏度計(jì)算公式如下：

圖4 濕度傳感測(cè)試結(jié)果(a) 環(huán)形天線在不同濕度下天線性能曲線；(b) 天線濕度傳感數(shù)據(jù)擬合Fig.4 (a) The curves of the refection coefficient (S11) for the circle antenna sensor at different humidity;(b) The resonance frequency shift of the circle antenna at different humidity.

式中：GFhumidity表示濕度傳感的靈敏度，fhumidity為濕度改變后天線的諧振頻率，f0為天線初始頻率，ΔRH(relative humidity)為濕度改變量。經(jīng)過(guò)計(jì)算，環(huán)形天線作為濕度傳感器，其靈敏度為?6.45 MHz/RH%。本文的天線傳感器是由激光直寫的方法制備，利用碳化后的聚酰亞胺表面呈多孔結(jié)構(gòu)和堆疊多層石墨烯，這種微觀結(jié)構(gòu)使其易吸收空氣中的水分，從而改變天線材料的電學(xué)性能，進(jìn)而使天線性能改變。

由于傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，因此本文還探究了溫度對(duì)天線性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。其中，圖5(a),5(b)為環(huán)形天線在不同溫度下的性能曲線，可以圖5(a)看到，溫度從25 ℃升高至55 ℃時(shí)，天線諧振頻率幾乎沒(méi)有變化。為了進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將環(huán)形天線在不同溫度下的諧振頻率進(jìn)行整合得到圖5(b)，通過(guò)圖5(b)可知，在溫度變化時(shí)，天線的諧振頻率幾乎沒(méi)有變化。天線的溫度穩(wěn)定性主要是由于激光直寫聚酰亞胺獲得的碳化材料主要為石墨烯以及其它碳結(jié)構(gòu)，而實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明石墨烯及類石墨烯材料在溫度為25 ℃～55 ℃區(qū)間內(nèi)，其電阻率改變較小[41]，這說(shuō)明本文制備的環(huán)形天線具有良好的抗溫度干擾性能。

圖5 抗溫度干擾測(cè)試結(jié)果。(a) 環(huán)形天線在不同溫度下天線性能曲線；(b) 天線溫度傳感數(shù)據(jù)擬合Fig.5 (a) The curves of the refection coefficient (S11) for the circle antenna sensor at different temperature;(b) The resonance frequency shift of the circle antenna at different temperature

4 結(jié) 論

本文使用激光直寫技術(shù)成功制備了可用于應(yīng)變傳感和濕度傳感的環(huán)形天線傳感器。激光碳化后的聚酰亞胺表面呈現(xiàn)蓬松多孔以及多層碳結(jié)構(gòu)，這使得天線在承受拉伸和環(huán)境濕度改變時(shí)，電學(xué)性能也隨之改變，且天線諧振頻率隨著應(yīng)變和濕度的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。環(huán)形天線應(yīng)變傳感靈敏度為?8.943 kHz/με，其濕度傳感靈敏度為?6.45 MHz/RH%。本文制備的天線的傳感原理是利用天線承受應(yīng)變和環(huán)境濕度變化時(shí)，分別會(huì)引起天線尺寸及材料電學(xué)性能的變化，從而引起天線諧振頻率的變化。通過(guò)測(cè)量天線諧振頻率的改變量可以推測(cè)承受應(yīng)變和環(huán)境濕度的改變量。此外，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明制備的環(huán)形天線傳感器具有穩(wěn)定性及重復(fù)性。但本文在區(qū)分應(yīng)變與濕度方面的研究還需要進(jìn)一步深入，在后面的研究中擬將功能材料與天線結(jié)合、利用多頻天線特性等方法避免實(shí)驗(yàn)干擾，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與濕度同時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也計(jì)劃通過(guò)軟件模擬計(jì)算應(yīng)變傳遞誤差、利用探針測(cè)量天線性能參數(shù)等方法減少實(shí)驗(yàn)誤差。本文利用激光直寫制備的環(huán)形天線傳感器具有制備方法簡(jiǎn)單、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器部分提供了一種新的可能性。