基于ELCR的雙模微波濕度傳感器*

丁書聰， 梁峻閣， 黃宜明， 顧曉峰

(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 江南大學(xué) 電子工程系，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

濕度傳感器在智能制造、農(nóng)業(yè)種植、食品存儲、空氣監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中，微帶線式微波傳感器(microstrip line microwave sensor,MMS)作為一種新型濕度檢測技術(shù)，憑借高靈敏度、低成本、加工靈活等優(yōu)勢引起了大量關(guān)注[1,2]。但傳統(tǒng)MMS也存在檢測分辨率和靈敏度低、線性度差等問題，因此有研究人員采用超材料結(jié)構(gòu)[3]、微流控溝道[4]、有源反饋[5]等方案來提升傳感器的品質(zhì)因子和填充系數(shù)，從而在一定程度上提升MMS的檢測特性。

基于電耦合電感電容諧振器(electrically-coupled LC resonator,ELCR)的MMS憑借其設(shè)計簡單、反應(yīng)時間短、精度高等特性常用于溶液/離子濃度、介電常數(shù)等檢測領(lǐng)域。其中,文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]都采用了將共面波導(dǎo)與ELCR結(jié)合的方案，分別設(shè)計出了利用諧振偏移與傳輸系數(shù)檢測離子濃度的傳感器，以及利用傳輸系數(shù)幅值偏移檢測ELCR扭轉(zhuǎn)角度變化的位移傳感器。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別采用指狀電容(IDC)修飾的ELCR和互補(bǔ)型電耦合電感電容(ELC)設(shè)計出了測量固體和液體介電常數(shù)的高靈敏度傳感器。然而該結(jié)構(gòu)在濕度檢測領(lǐng)域的應(yīng)用較少，且缺乏結(jié)合器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的傳感器研究。綜上可見，IDC可以增加ELCR的整體電容[6]，互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)和共面波導(dǎo)的引入可以增加ELCR耦合電磁場的強(qiáng)度[8，9]，這些研究為提升傳感器的靈敏度提供了重要參考。

本文在雙T形分支ELCR的基礎(chǔ)上引入IDC敏感區(qū)域，通過對T型分支物理尺寸的調(diào)節(jié)，設(shè)計了具有基模雙諧振檢測點的ELC微波濕度傳感器。在此基礎(chǔ)上，利用聚酰亞胺(polyimide,PI)作為濕敏材料在微波濕度傳感器(microwave humidity sensor,MHS)的敏感區(qū)域制備薄膜，制作了雙諧振微波濕度傳感器。測試結(jié)果表明，該聚酰亞胺微波濕度傳感器(polyimide microwave humidity sensor,PMHS)在兩個檢測頻點處均具有較高的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，且其在寬頻域內(nèi)的多諧振檢測點在高低濕度區(qū)間存在靈敏度互補(bǔ)特性，為實現(xiàn)寬濕度范圍的精確檢測提供了解決方案。

1 設(shè)計與實驗

1.1 MHS設(shè)計

在傳統(tǒng)ELCR的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，本文研制的MHS首先縮短了雙T型諧振器分支之間的距離，并設(shè)計了IDC結(jié)構(gòu)的敏感區(qū)域，從而增強(qiáng)電耦合作用，如圖1(a),(b)所示。接著，通過增加T形分支的長度以提升檢測頻點的波長，如圖1(c)所示。

圖1 (a)傳統(tǒng)型ELCR版圖；(b)改進(jìn)型ELCR版圖；(c)本設(shè)計(MHS)版圖

MHS的尺寸參數(shù)列于表1。特氟龍為基板材料，其介電常數(shù)為2.54，損耗角正切為0.002，厚度為0.45 mm。

表1 MHS的物理尺寸參數(shù) mm

ELCR以電磁壁作為軸對稱線(參見圖1(a))，T型分支之間的不連續(xù)性會導(dǎo)致指狀電容Cm的產(chǎn)生。如圖2(b)所示，Lf1，Lf2，Cf1，Cf2分別為微帶饋線的電感和電容，L1和C1為T形分支的線電感和電容，L2為外部矩形微帶線電感。由于引入IDC敏感區(qū)域的ELCR仍維持對稱結(jié)構(gòu)，因此奇偶模分析法可應(yīng)用于本設(shè)計，如圖2(c),(d)所示。諧振點頻率可通過如下計算

(1)

(2)

(3)

式中f01為無IDC結(jié)構(gòu)條件下ELCR的偶模諧振點RM1對應(yīng)的頻率feven，同理f02為奇模諧振點RM2對應(yīng)的頻率fodd，c為真空中波的傳播速度，εeff為微波器件的有效介電常數(shù)，fri(i=1,2)為采用IDC結(jié)構(gòu)后ELCR的諧振頻率，N為本設(shè)計中的叉指數(shù)量(N=10)[10]。由式(1)、式(2)可知，隨著T形分支的長度L5或L6的增加，f01與f02均降低。結(jié)合了IDC敏感區(qū)域后，雙T形分支間的耦合作用增加了互容，奇偶模諧振均受到擾動，由式(3)可見IDC的指長L5及指數(shù)N對MHS諧振頻率fri的影響。

圖2 (a)MHS版圖;(b)器件的LC等效電路；(c)奇模等效導(dǎo)納；(d)偶模等效導(dǎo)納

基于以上奇偶模諧振的分析理論，MHS的等效輸入導(dǎo)納和反射系數(shù)分別可如下計算

Yin,even=

(4)

(5)

(6)

忽略IDC結(jié)構(gòu)和微帶線不連續(xù)性對MHS導(dǎo)納的影響，當(dāng)偶模諧振發(fā)生時，Yin,even=0；奇模諧振發(fā)生時，Yin,odd=0。RM1和RM2對應(yīng)的反射系數(shù)峰值S11,even和S11,odd分別為

(7)

(8)

當(dāng)增加MHS雙T型諧振器分支的長度L6時，RM1和RM2向低頻移動，且RM2對應(yīng)的反射系數(shù)峰值降低，表明敏感區(qū)域的IDC對基模雙諧振點均產(chǎn)生了擾動。相比傳統(tǒng)型和改進(jìn)型ELCR，MHS的雙頻點反射系數(shù)峰值均低于-20 dB(參見圖3(a))，且有效品質(zhì)因子Qeff分別達(dá)到了342和272，MHS的檢測分辨率和精確度得到了提升。對電場分布進(jìn)行仿真可知，在1.24 GHz諧振點(RM1)處和2.04 GHz諧振點(RM2)處，MHS的IDC敏感區(qū)域分別出現(xiàn)與器件平面垂直和平行的高密度電場(參見圖3(b))，證明了該區(qū)域?qū)趶?fù)介電常數(shù)的濕度檢測的敏感性。

圖3 (a)三種器件的反射系數(shù)(S11)仿真圖；(b)MHS在fc1頻點處的器件電場分布；(c)MHS在fc2頻點處的電場分布

1.2 PMHS制備

本文中PI前驅(qū)體(日立，PI2555)被用來作為濕敏原材料。濕敏薄膜制備步驟如下：首先量取0.6 mL的PI前驅(qū)體滴在MHS的IDC敏感區(qū)域的中心位置；然后采用兩段式旋涂處理工藝，設(shè)置勻膠機(jī)(中科院微電子研究所，KW—4A)在500 r/min和1 200 r/min的條件下分別工作15 s和30 s；最后參考PI2555標(biāo)準(zhǔn)亞胺化工藝，利用馬弗爐(合肥科晶，KSL—1200)對涂膠后的MHS退火固化處理。通過千分尺測得PI薄膜厚度為0.010 mm。圖4(a)為制作的傳感器實物照片，可見電極表面和附近的PI薄膜無明顯氣泡和雜質(zhì)。為了方便后續(xù)濕度測試，將超微型A(sub-miniature A,SMA)阻抗匹配射頻轉(zhuǎn)接頭焊接于器件兩端的微帶饋線上，最終制得以PI為感濕材料的PMHS。

圖4 PMHS實物與傳感器測試平臺

為了研究敏感區(qū)域面積對傳感器的影響，制備了全涂覆和敏感區(qū)域涂覆兩種PMHS，并利用圖4(b)所示的測試平臺進(jìn)行了比較。相比于全涂覆PMHS，雖然局部涂覆的PMHS在RM1處的Qeff有所降低，但是RM2的Qeff從73增至230，提升了兩倍多，且該頻點對應(yīng)反射系數(shù)峰值降低了11.1 dB，如圖5(a)所示。這表明在IDC敏感區(qū)域局部旋涂PI的條件下，RM2有著更高的品質(zhì)因數(shù)和更低的反射系數(shù)，因此,IDC的設(shè)計對保持和提升PMHS的檢測分辨率和靈敏度起著關(guān)鍵作用。

圖5 (a)三種旋涂條件下的MHS反射系數(shù)(S11)；(b)PMHS的IDC截面電路模型

1.3 PMHS傳感機(jī)理

PMHS的T形分支微帶線間的IDC可由CIDC表示，其電容值可如下計算[10，11]

(N-1)L7

(9)

(10)

(11)

式中K可看作與IDC物理參數(shù)有關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)，εeff為微波器件的有效介電常數(shù)。εr為濕度氛圍下基板材料的相對介電常數(shù)，h和W分別為介質(zhì)的厚度和微帶線的寬度(W>h)。結(jié)合圖2(b)和圖5(b)，耦合電容Cm和接地電容C1又可表示為

(12)

(13)

式(12)中,Cd和Cg均為PI濕敏薄膜作為介質(zhì)的帶間電容，Cs則為以特氟龍襯底作為介質(zhì)的帶間電容，這三種電容只在奇模諧振時產(chǎn)生。式(13)中，Cpi為指狀電極的帶邊接地電容，該電容只在偶模諧振時產(chǎn)生，Cti為指狀電極的微帶接地電容。在吸濕過程中Cs維持恒定，Cd和Cg則均與εeff有關(guān)，PI的介電常數(shù)εs隨著濕度的增加而上升，這導(dǎo)致了Cd與Cg的增加。濕度環(huán)境中PI的介電常數(shù)εs可由以下經(jīng)驗公式推知[12]

(14)

式中γ為薄膜中水分子的比體積，εH2O和εP分別為水分子和PI在起始測試濕度下的介電常數(shù)。由式(11)、式(14)可知PI薄膜的介電常數(shù)隨濕度上升而增加，因此εeff也會隨濕度的增加而變大，根據(jù)式(1)、式(3)，諧振頻點fr1會隨之左移，而fr2向右偏移，可解釋為引入濕敏介質(zhì)后的指間電耦合強(qiáng)度變?nèi)?，耦合系?shù)降低造成了電磁諧振模的分離[13]。

2 PMHS的性能測試與分析

PMHS的散射參數(shù)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Angilent Fieldfox，N9923A)測得。不同的濕度氛圍由干空氣和過水濕空氣混合制備實現(xiàn)，本文分別創(chuàng)建了10 %，30 %，50 %，70 %，90 %的相對濕度環(huán)境。

圖6(a)所示，PMHS在RM1處的諧振頻率隨著濕度的增加而降低。在RM2處，雖然其諧振頻點變化不明顯，但是隨著濕度的增加，該點反射系數(shù)峰值的絕對值逐漸降低，如圖6(b)所示。以上測試結(jié)果表明兩個檢測點具有不同的濕敏性能參數(shù)。

圖6 不同濕度下RM1頻率偏移量和RM2反射系數(shù)增量的濕敏特性

為了進(jìn)一步探究具體的濕敏性能，對兩個諧振檢測點的靈敏度進(jìn)行了計算

(15)

(16)

式中S1為第一個檢測點RM1的靈敏度，S2為第二個檢測點RM2的靈敏度，Δ|fr1| 和Δ|S11|max分別為整個濕度檢測范圍內(nèi)諧振頻點和反射系數(shù)峰值的變化量，ΔRH% 對應(yīng)全范圍濕度變化量80 %RH。初步計算可知，RM1的頻移靈敏度達(dá)到了83.8 kHz/%RH，如圖7(a)所示；而RM2對應(yīng)的反射系數(shù)靈敏度則達(dá)到了0.117 dB/%RH，如圖7(b)所示。隨著濕度的增加，RM1頻移在高濕度區(qū)域較敏感，而RM2反射系數(shù)靈敏度則在低濕度區(qū)域較敏感，說明該器件兩個諧振點的檢測靈敏度在全濕度范圍內(nèi)存在互補(bǔ)關(guān)系。

圖7 RM1的諧振頻率RM2的反射系數(shù)與相對濕度關(guān)系曲線

對圖7(a),(b)中的特性曲線進(jìn)行擬合可得，RM1對應(yīng)Δ|fr1|的最小二乘曲線擬合系數(shù)(R2)達(dá)到了0.985 4，RM2對應(yīng)Δ|S11|max檢測曲線的R2高達(dá)0.998 7。表2比較了本設(shè)計與文獻(xiàn)[14～16]中的微波濕度傳感器的主要性能，可以發(fā)現(xiàn)，在寬濕度范圍內(nèi)，本文制作的PMHS的雙檢測參數(shù)具有較高的濕度靈敏度。

表2 PMHS與其他傳感器性能對照

3 結(jié)束語

本文設(shè)計并制作了一種基于ELCR的雙頻點檢測式PMHS。實驗結(jié)果表明:設(shè)計IDC敏感區(qū)域的設(shè)計可提升傳感器的品質(zhì)因數(shù)，PMHS頻移和反射系數(shù)峰值增量的感濕靈敏度分別為83.8 kHz/%RH和0.117 dB/%RH，而且兩者在全濕度范圍內(nèi)存在互補(bǔ)關(guān)系。雙頻點對應(yīng)檢測參數(shù)的二階擬合系數(shù)R2分別達(dá)到了0.985 4和0.998 7，表明傳感器具有較高的線性度。此外，該微波濕度傳感器制備方便、成本低，可與射頻前端集成廣泛應(yīng)用于環(huán)境濕度監(jiān)測。