新型声表面波湿度传感器的研究

乐甫(Love)波其质点振动方向垂直于传播方向,同时又平行于基片表面,在基片法线方向上无振动分量。因此当基于Love波的电子器件在接触液体时Love波能量损耗很少,因而乐甫波声表面波(SAW)传感器主要用于液相检测。在石英上表面及在其上面淀积的SiO2薄膜中激发、传播的乐甫波对SiO2薄膜质量的变化很敏感,因此该文研究了基于乐甫波的湿度传感器感知气体环境的湿度含量。该文乐甫波湿度传感器采用42.75°Y-旋转切割石英基片,传播方向为[0°,132.75°,90°]。吸湿膜采用APCVD制作的多孔SiO2薄膜,此类膜比PECVD制作的SiO2膜疏松,吸湿、脱湿迅速。传感器灵敏度为62kHz/%RH,最大湿滞约3%,测得的湿敏特性、迟滞特性表明,Love波SAW湿度传感器线性度较好,实验验证了该结构具有很好的气体测试前景。     

乐甫波器件温度特性实验研究

研究了基于ST-90°X石英基片和SU-8波导层的乐甫波器件的温度特性。采用电极宽度控制单向单相(EWC/SPUDT)结构和铝电极,设计制作了具有单一模式控制功能和低插入损耗的150 MHz剪切型声表面波(SH-SAW)延迟线器件,并在其表面涂覆不同膜厚的SU-8声波导层构成系列乐甫波器件。由于SU-8波导层与石英基片温度系数的相反极性特性,SU-8膜厚直接影响到了乐甫波器件的温度特性。实验发现,覆盖不同膜厚的SU-8的乐甫波器件的中心频率随温度呈非线性变化,且在60~80℃内,SU-8膜厚为0.95μm时,其频率温度系数约为0.830×10-6/℃。     

具有PDEB LB膜的声表面波湿度传感器

介绍一种新型聚炔离子导体湿敏材料－聚对二炔苯的Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｏｌｄｇｅｔｔ成膜原理与制备，淀积有１０层ＰＤＥＢ ＬＢ膜层的声表面波延迟线型湿度传感器的特性。由于ＬＢ成膜技术拉制的膜可以在分子水平上进行定量控制，保证了膜的均匀性和一致性。     

用于PEMFC的FBG湿度传感器的制作及性能研究

研究了以聚酰亚胺为湿敏材料的光纤Bragg光栅(FBG)湿度传感器并用其对质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中内部湿度进行了实时监测。传感器利用聚酰亚胺的湿膨胀效应,实现 了对24.7%－ 98%RH范围内相对湿度的监测。采用腐蚀光纤包层的方法减小光纤包 层直径,实验结果表明,该方法能在 不影响FBG相对湿度传感器灵敏度的情况下,提高对外界环境相对湿 度变化的响应速度。所 研制的FBG 相对湿度传感器灵敏度能达到3.8 pm/RH,线性度达到99.85%,最大回程误差不超过9pm,当环境相对湿 度从50%突变到85%时,经过腐蚀处理后的FBG 相对湿度响应时间仅为15.4 s。将该FBG湿度传感器布置 于PEMFC内部进行停机过程中湿度的实时监测,实验结果表明,所制作的FBG湿度传感器能够 准确地反映PEMFC停机吹扫过程中内部湿度的变化。     

高灵敏度塑料光纤湿度传感器

为了提高塑料光纤湿度传感器的灵敏度,该文利用商用塑料光纤、聚砜、二氧化锗(GeO₂)和聚酰亚胺构建了一种新型结构的塑料光纤湿度传感器。首先将长度为0.5 m的商用塑料光纤中心部分(长5 cm)包层去除,并弯曲成U形(弯曲半径为2 cm),再将聚砜与GeO₂的混合物涂覆在商用光纤纤芯表面,然后将涂覆聚砜与GeO₂的塑料光纤在70 ℃下干燥10 h,最后涂覆上聚酰亚胺湿敏材料,在60 ℃下干燥后形成塑料光纤湿度传感器。实验研究了不同涂覆对塑料光纤传感器光传输特性及其灵敏度的影响,实验结果表明,在温度40 ℃、相对湿度10%RH~80%RH下,当塑料光纤纤芯直径为900 μm、聚砜与GeO₂涂覆层厚200 μm、聚酰亚胺湿敏膜厚 20 μm时,传感器对湿度的响应灵敏度可达到-0.9 nW/(1%RH),是将20 μm聚酰亚胺湿敏材料涂覆在1 500 μm塑料光纤纤芯表面响应灵敏度的6.9倍。     

基于聚酰亚胺材料的FBG湿度传感特性研究

提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)侧面镀膜感湿的新型全光纤湿度计,选取具有高湿敏特性和线膨胀系数(9.432×10-5%RH)的改性聚酰亚胺(PI)作为湿敏材料。通过在FBG侧面涂覆5种不同厚度的PI薄膜,检测厚度对传感器灵敏度和响应时间的影响,实验结果与理论计算符合很好,通过测试,PI薄膜厚为21μm时,传感器的湿度灵敏度为2.67×10-6/%RH,响应时间小于8s,有很好的实际应用前景。     

SnO_2-LiZnVO_4系湿敏元件电容特性分析

采用共沉淀法制备SnO2-LiZnVO4系湿敏材料,研究了LiZnVO4的掺杂量对材料湿敏电容的影响。结果表明:LiZnVO4的掺杂量,环境的相对湿度(RH)、测试信号频率对湿敏电容有较大影响。当x(LiZnVO4)为10%时,可使材料具有合适的低湿电容和灵敏度。在100Hz下,当环境的RH从33%上升到93%时,SnO2-LiZnVO4系湿敏材料制备的湿敏元件的电容增量可达起始值的2300%,显示出较高的电容湿度敏感性。湿敏元件的电容响应时间约为54s,恢复时间约为60s。湿滞约为RH6%。     

纸基PVA 无芯片RFID 湿度传感器

传统湿度传感器制造工艺复杂、需有线连接信号,对此,文中提出一种纸基无芯片射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)湿度传感器。为提升传感器谐振特性,选择非对称开口环内部分布式加载金属碎片作 为传感器结构,聚乙烯醇(PVA)作为湿敏材料,使用遗传算法和HFSS 射频仿真软件来设计并优化传感器结构。以 喷墨打印技术制作传感器样品,采用滴涂法在传感器表面分别制备了5%、10%、15%三种质量浓度比的PVA 薄膜。 湿敏特性仿真及测试结果一致表明:PVA 与纸基底协同作用可显著提高传感器灵敏度。随PVA 浓度增加灵敏度增 加,15%PVA 传感器灵敏度最高,高湿灵敏度达到12. 22 MHz/ %RH,但随PVA 浓度增加恢复特性变差,5%PVA 湿度 传感器具有良好的恢复特性,恢复度达83. 87%。通过长期多次实验验证了PVA 纸基湿度传感器具有良好的温度稳 定性与中长期稳定性。与同类研究成果对比,文中设计在感湿范围及灵敏度方面有优势且制造工艺更简单,为低成 本湿度传感器的大规模使用提供了可能。     

多孔TiO2/NaPSS复合湿敏材料制备与性能研究

采用模板法在铜叉指电极上制备了多孔氧化钛/聚苯乙烯磺酸钠(多孔TiO_2/NaPSS)复合湿敏材料。并采用扫描电镜(SEM)对其微观结构进行表征分析,LCR数字电桥对其湿敏特性进行测试分析。结果表明,相对于NaPSS和TiO_2/NaPSS两种湿敏材料而言,多孔TiO_2/NaPSS复合湿敏材料具有更低的阻抗值及湿滞差,较好的线性关系,其响应速度更快,重复稳定性更高,在湿度传感器方面具有广阔的应用前景。     

湿度传感元件制备、封装及检测电路设计的研究进展

湿度传感器是一种用于感知环境湿度参数的器件,在气象探测、农业种植、工业制造、馆藏存储等领域应用广泛。湿度传感器的检测特性主要由湿敏材料、检测电极、封装及检测电路共同决定,其中湿敏材料的材料特性和结构特征对传感性能的影响最为显著,也是该领域的研究热点。讨论了湿度传感元件的感湿机理和湿敏材料的分类,介绍了湿度传感器的检测参数及优化,阐述了纳米湿敏材料在湿度传感器中的应用,对常用的湿度传感器封装方案和检测电路设计进行了综述。     

基于RGO-PEO复合薄膜的QCM湿度传感器研究

通过气喷工艺在石英晶体微天平(QCM)上制备了基于还原氧化石墨烯(RGO)与聚氧化乙烯(PEO)两种材料的复合湿敏薄膜,对环境湿度进行检测。所得纯PEO薄膜及RGO-PEO复合薄膜的表面形貌以及化学特性分别通过扫描电子显微镜(SEM)以及紫外-可见光谱进行表征。与基于纯PEO薄膜的湿度传感器相比,基于RGO-PEO复合湿敏薄膜的湿度传感器的动态响应大大提高,其灵敏度从16.3Hz/%RH提升到34.7Hz/%RH。此外,基于复合薄膜的湿度传感器拥有更快的响应/恢复时间,达到传感器吸附/脱附时总频移的63.2%所用时间分别为3s和4 s,而纯PEO薄膜为10 s和12 s;湿滞为1.21%RH,且有较好的长期稳定性。这项研究揭示了基于RGO-PEO复合薄膜的QCM湿度传感器在常温下检测环境湿度的发展潜力。     

我国湿度测量技术达到世界先进水平

近10年来,我国的湿度测量技术成果累累。在采用新材料、新工艺、 开发新元件、改进老产品上都取得了一大批成果,如声表面波、α-Al_2O_3和L-B膜湿度传感器等在国际上尚属创新,技术处于领先地位。国外采用的聚酰亚胺湿敏电容技术,国内已经掌握,且性能有所超过。在测量精度、线性化、与计算机接口和采用神经网络系统等方面都达到了一定的先进水平。在国产湿度传感器方面,北京卫华传感工程部开发的产品则是其中的代表产品。     

基于并联法布里-珀罗干涉仪游标效应的增敏光纤湿度传感器

为了提高光纤湿度传感器的灵敏度,提出了一种基于并联光纤法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometers, FPIs)游标效应的增敏型湿度传感器,并进行了实验验证。该传感器由两个基于内径4μm石英毛细管的光纤FPI通过2×2耦合器并联组成,其中一个FPI作为传感FPI,其末端镀有湿敏特性的琼脂糖薄膜,另一个作为参考FPI。论文分析了器件的湿度传感工作原理,实验结果论证了该理论分析的正确性。实验显示,并联FPI游标效应器件在40%RH—60%RH范围内其灵敏度高达0.843 9 nm/%RH,较之单一FPI的灵敏度提高了9倍,是并联FPI反射谱直接波谷追踪波长解调灵敏度的44倍。增加FPI末端湿敏膜厚度,其灵敏度进一步提高至1.12 nm/%RH。该传感器制备简单、尺寸小、灵敏度高,在湿度测试方面具有潜在的应用价值。     

基于氧化石墨烯-聚乙烯醇薄膜的光纤光栅湿度传感器

为提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)对环境湿度的敏感性,本文提出将氧化石墨烯-聚乙烯醇溶液涂覆在FBG上进行湿度增敏。首先对传感器的湿度响应进行了理论研究,然后使用提拉镀膜法制作了传感器样品,实验讨论了湿敏溶液的混合比例和薄膜厚度对湿度灵敏度的影响。进一步的实验研究结果表明:当氧化石墨烯和聚乙烯醇溶液的混合比例为9∶1,涂覆 厚度为89 μm时,在相对湿度 50%—60%RH(relative humidity)的 湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为2.3 pm/%RH;在60%—70%RH的 湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为7.7 pm/%RH;在70%—80% RH的湿度范围内,湿度灵敏度为47.2 pm/%RH。传感器的温度灵敏度为13.2 pm/℃,湿度测量的不稳定性为0.064 7% RH,响应和 恢复时间分别为0.84 s和11.46 s。该传感器制作简便、湿度灵敏度高、稳定性好,具有较大的应用潜力。     

36°YX-LiTaO_3/SiO_2结构Love波气体传感器研究

该文研究了一种覆盖六氟-2-羟基异丙基聚硅氧烷(SXFA)敏感膜,并针对有机磷化学物检测的新型Love波传感器,采用36°YX-LiTaO3与SiO2分别作为Love波延迟线器件的压电基底与波导层材料。将所研制的Love波器件作为差分振荡器的频率控制单元,结合SXFA敏感膜,开展了针对甲基磷酸二甲(DMMP)的气体传感实验,分析了不同波导层膜厚对Love波传感器气体响应的影响,并与传统瑞利型声表面波模式的气体传感器性能进行了对比,实验结果显示,Love波模式传感器表现出高灵敏度特性。     

基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器研究

该文设计制作了一种基于磁致伸缩效应的声表面波(SAW)电流传感器,采用了磁致伸缩铁钴合金(FeCo)薄膜,并对其性能进行实验研究。传感器采用双通道300 MHz声表面波延迟线型振荡器结构,以128°YXLiNbO_3为压电基片,在其表面覆盖与其温度系数极性相反的SiO_2薄膜来改善器件温度稳定性,并在声传播路径上溅射FeCo薄膜用以感知电流量。在电流产生磁场作用下,FeCo薄膜发生磁致伸缩应变,导致声传播速度的变化,进而以振荡器频率信号的改变来表征待测电流。该文通过对不同FeCo膜厚及不同FeCo薄膜长宽比的传感器进行实验分析,以获得优化的传感功能结构。实验结果表明,在优化的FeCo薄膜厚度(500nm)和长宽比(2∶1)条件下,所研制的声表面波电流传感器的灵敏度为12.375kHz/A。     

氧化镓纳米棒的超声法制备及湿敏特性研究

以商业氮化镓(GaN)粉末为原料,经简单超声辅助的方法成功制备出氧化镓(Ga_2O_3)纳米棒。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对其结构、形貌及成分进行表征分析。结果表明材料为纳米棒状多孔结构,直径和长度范围分別在100 nm和2μm左右,并且Na~+和K~+被成功地掺杂。湿敏材料旋涂在预先涂覆有Ag-Pd叉指电极的Al_2O_3陶瓷基片上制作成湿敏测试元件。对其湿敏性能进行测试,結果表明:Ga_2O_3纳米棒传感器的阻抗随着湿度的变化曲线表现出良好的线性响应和稳定性,在100 Hz频率下,当环境中的相对湿度(RH)从11%到95%变化时,该湿度传感器阻抗变化超过四个数量级,响应和恢复时间分別为1 s和6 s,其最大湿滞为3%RH。优异的湿敏特性可能源于一维Ga_2O_3纳米结构和离子掺杂的协同效应。     

433.92 MHz声表面波水果气体传感器研究

为监测水果在仓储及运输等过程中的新鲜程度,研制了一种以声表面波(SAW)单端谐振器为载体的SAW水果释放气体传感器。运用原位一步聚合法制备了聚苯胺气敏材料,在器件的敏感区域上用滴涂法涂覆敏感膜。实验结果表明,该传感器在室温条件下,对水果气体具有灵敏度高,响应恢复快等特性。对敏感机理进行了理论分析。     

高灵敏度硅酸镓镧声表面波压力传感器研究

为提高硅酸镓镧(LGS)声表面波(SAW)压力传感器的灵敏度,研究了一种采用点压式压力传递结构的SAW压力传感器。理论上采用压电微扰理论和有限元法结合,使用有限元法获得压力作用下LGS基片的应力、应变,并将该应力、应变量代入叠加偏载的电弹方程和一阶微扰方程,求得传感器的压力灵敏度。计算表明0~0.4 MPa压力范围内其归一化压力灵敏度为0.065×10-6/psi,与空腔结构LGS SAW压力传感器相比,该结构的灵敏度提高了约9倍。基于上述分析结构,制作了一种基于LGS(0°,138.5°,26.7°)的点压式压力传递结构的SAW传感器,实验结果和理论分析吻合。     

基于羟基磷灰石的QCM湿度传感器研究

随着物联网信息化技术的发展,湿度传感器检测精度的要求越来越高,研究具有更好湿敏特性的材料变得日益重要.采用溶胶凝胶法制备了一种具有均匀棒状结构、绿色无毒的羟基磷灰石纳米材料,并将其负载在石英晶体微天平(QCM)上,构筑了高稳定性和敏感性的湿度传感器.通过测量QCM的共振频移,研究了所构筑传感器的湿敏特性,其共振频移源于...