集成加热功能高分子电容式湿度传感器研究

针对高空气象探测领域中温湿度骤变产生水分凝结而影响测量精度问题，开展了集成加热功能的湿度传感器研究，通过仿真手段，优化了加热器结构；通过对感湿膜成膜工艺进行研究，提高了传感器灵敏度、降低了湿滞和响应时间；通过将MEMS工艺与有机薄膜成膜工艺相结合，实现了湿度传感器制作。按照湿度传感器测试方法进行了性能测试，结果表明，该湿度传感器灵敏度> 0.40 pF/%RH、湿滞<1.5%RH、非线性<1.5%、响应时间<2 s；对加热器除湿能力进行了试验，结果表明，启动加热2 s即可有效去除湿度传感器表面的液态水滴。     

双加热湿度传感器的CFD分析与加热策略设计

探空气象观测中湿度传感器表面结冰、结霜等污染物会降低其测量精度,双加热湿度传感器为该问题的解决提供了可能。为了实现对双加热湿度传感器加热策略进行优化设计,必须研究其稳态及瞬态工作状况。本文采用计算流体动力学(CFD)方法针对测量周期的四个阶段进行了优化设计。利用稳态分析模拟出两个湿度传感器不同间距下的相互影响情况。利用瞬态分析模拟出升温时间和冷却时间特性。传感器测量周期随气压不同在45 s～145 s之间变化。在探空仪上升速度为6 m/s的条件下,两个传感器之间的距离不小于3 mm时,两者互不影响。提出高空和低空两种模式加热策略,分别采用温度降幅为40℃和46℃的测量周期。     

基于Fluent的双加热湿度传感器传热性能分析

双加热湿度传感器可实现大气湿度连续探测.液滴、冰晶等水凝物覆盖在双加热湿度传感器表面,容易导致其测量精度和响应速度降低.为了提高测量精度和响应速度,有必要对双加热湿度传感器进行除湿处理.采用Pro/E建立4种尺寸的双加热湿度传感器三维模型;利用ICEM CFD中模块化的方法对模型进行分网,得到了较高的网格质量,降低了计算时间,提高了计算精度;利用Fluent稳态分析模拟出2只湿度传感器不同间距下的相互影响情况,瞬态分析模拟出升温时间和降温时间特性.根据仿真结果,提出高空和低空2种模式加热策略.     

高分子湿度传感器的湿滞建模与智能补偿

高分子湿度传感器在测量过程中由于存在着湿滞特性影响了其测量的精度.根据湿滞特性表现出的分段线性性质与T-S模糊建模原理的相似性,提出利用T-S模糊建模的思想对高分子湿度传感器的湿滞非线性环节进行建模,进而建立起湿滞环节的逆模型,并采用其逆模型实现对湿滞环节的智能补偿.仿真结果表明:经湿滞补偿后,高分子湿度传感器的湿滞由5.56%RH减小到0.045%RH.     

防雨帽对探空仪湿度测量影响的CFD研究

采用流体动力学方法研究了GL-5000P探空仪湿度传感器的防雨帽对湿度测量的影响.运用Pro/E对湿度测量系统结构进行建模,使用前处理软件ICEM对其进行网格划分,导入Fluent软件进行稳态和瞬态计算分析.模拟结果表明:GL-5000P防雨帽很好地防止了高空云雨滴对湿度传感器的影响,其兼具一定的防太阳辐射功能,但高空25 km以上防辐射能力减弱,甚至起相反作用;防雨帽厚度对太阳辐射误差影响较小,而其反射率影响则较显著;瞬态分析揭示了传感器表面的湿度场分布产生了时间滞后,且时间滞后常数随海拔高度的升高而增加,到27 km达到0.42 s.该研究为湿度垂直廓线的时间滞后修正提供了理论依据.     

基于一维纳米材料的双层微波湿度传感研究

微波湿度检测方案在传感技术的推进下逐渐形成并得到全面发展,现阶段的研究主要从微波器件的结构设计展开,而忽视了对应的湿敏材料制备及优化。一维纳米材料因其高比表面积和孔隙率,是有助于提高检测灵敏度的优选敏感材料。本文设计了一款基于新型分裂环谐振器的双层微波传感器,利用高压静电纺丝技术制备了聚丙烯腈一维纳米材料,将该湿敏材料置于器件强电场聚集区域,在10 %RH~90 %RH湿度范围内实现了0.05 dB/%RH(基于插入损耗)、0.15 °/%RH(基于相位)的检测灵敏度、1.63 %RH(基于插入损耗)、3.56 %RH(基于相位)的湿滞,在稳定性检测中实现了最大误差0.21 %RH。结果表明除微波检测电极设计,湿敏材料的制备工艺也显著影响了微波湿度传感器的检测特性。     

多孔硅相对湿度传感器的设计

基于对三明治型与平铺型两种多孔硅湿度传感器结构的灵敏度分析与比较,结合两种结构的优点,设计出新的传感器的结构。通过对该结构湿度传感器的性能测试,得出该传感器的灵敏度为1.1 pF/RH%,响应时间为73 s,温度湿度系数为0.5%RH/℃,该湿度传感器适用于在中低湿环境中测量,在每隔20 d的时间对传感器跟踪测试,证明该传感具有较好的稳定性。此外为了传感器可以自解吸附,该传感器采用多晶硅为传感器加热除湿,在金属电极上溅射一层钝化层以防止电极被水汽腐蚀。     

基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究

介绍了一种新型柔性电容式湿度传感器.该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作为衬底,金属铜(Cu)作为叉指电极,聚酰亚胺(PI)作为湿度传感器的湿敏介质.LCP衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性.该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点.该柔性湿度传感器在25℃下的平均灵敏度为0.04%pF/%RH,最大回滞为±4.16%RH,其平均灵敏度在25℃~70℃范围内受温度影响较小.在25℃下其响应时间和恢复时间分别为36 s和39 s.该柔性湿度传感器可以应用于环境湿度检测、人工电子皮肤系统和可穿戴设备等领域.     

探空湿度传感器空间飞行姿态和加热模型研究

为计算出探空湿度传感器随气球上升过程中在空间的飞行姿态和测量周期,应用了一种计算流体动力学方法.首先,建立五种传感器间距模型,获得最优的传感器间距.其次,建立四种飞行姿态,通过观察传感器的壁面剪切应力大小,确定最优的飞行姿态角.最后,利用瞬态分析,仿真出0 ～32 km高空的加热时间和冷却时间,从而确定测量周期.仿真结果表明:在入口风速8 m/s,次流入口为10 m/s时,最优的间距为3.5 ～6 mm.传感器的俯仰角为45°时,壁面剪切应力较大,故较为理想的俯仰角为43°～48°.传感器的测量周期采用0.53 W的加热功率和温度降幅为超环境温度12℃所对应的时间.     

多谐振荡器在湿度测量中的应用

给出了由555定时器和湿度传感器构成的多谐振荡电路,利用单片机的定时器测量振荡电路的振荡周期,实现了湿度的测量,实验结果表明测量值与设定值的最大误差仅为2.60%RH。     

基于MWCNTs/Nafion复合膜的高性能声表面波湿敏传感器研究

湿度检测广泛应用于工业、医疗等各个领域,对高性能湿度传感器的需求日趋迫切。首先对声表面波传感器敏感机理进行了深入的分析,得到影响其性能的主要因素。在此基础上研制出一种以多壁碳纳米管(MWCNTs)和Nafion复合材料为湿敏膜,高频声表面波谐振器为换能元件的高性能湿敏传感器。实验表明,制得的湿敏传感器在宽湿度范围内(1...     

High relative humidity measurements using gelatin coated long-period grating sensors

A long-period grating (LPG) coated with gelatin was developed as a high relative humidity (RH) sensor. The resonance dip or coupling strength of the LPG spectrum varies with RH. Experimental investigations on the sensor yield a sensitivity of 0.833%RH/dB with an accuracy of ±0.25%RH, and a resolution of ±0.00833%RH. The LPG RH sensor also offers repeatability, hysteresis and stability errors of less than ±0.877, ±0.203 and ±0.04%RH, respectively. In addition to the characterization of the LPG RH sensor, further studies were conducted to determine the effect of grating periodicities on the sensitivity of the sensor. Results show that higher order cladding modes from smaller grating periods enable the sensor to achieve higher sensitivity to humidity. This method is proposed to be more cost effective as compared to more complex spectroscopic methods based on wavelength detection. This sensor can also help to solve problems in measuring high humidity with existing relative humidity measurement systems.     

基于LiCl湿敏涂层的QCM湿度传感特性的研究

对0.2%质量比LiCl薄膜涂层的QCM湿度传感单元湿敏特性进行了系统性的研究。研究结果表明:0.2%质量比LiCl—QCM的湿度传感单元的线性测量范围为13%～94%RH,克服了常规LiCl湿敏材料传感单元量程窄的缺点。另外,此湿度传感单元还具有重复性好、灵敏度高、湿滞小(小于10 Hz)、数字频率化输出等优点,因而,具有较好的潜在应用前景。     

片上加热电容式湿度传感器研究

提出了一种集成加热结构的电容式湿度传感器结构。对传感器的稳态加热特性进行了分析,并利用红外线热成像技术对传感器加热过程以及稳态温度响应进行了研究。在5 V电压信号的加热下,传感器温度上升约30℃,且温度分布均匀,传感器敏感区域温差<4℃。在加热与不加热条件下,分别对传感器的湿度敏感特性与响应时间特性进行了测试。不加热时,传感器的灵敏度为0.00913 pF/%rH,回滞≈0.12 pF,响应时间约120.8 s;以5 V脉冲信号加热后,传感器灵敏度为0.00903 pF/%rH,最大回滞≈0.025 pF,响应时间约75.2 s。加热后传感器性能有了显著提高。     

降低高分子电容式湿敏元件湿滞的实验研究

针对高分子电容式湿敏元件的湿滞无法通过后续电路完全实现补偿的问题,提出了从高分子电容式湿敏元件本身降低湿滞的方法。主要从制作工艺、湿敏材料的选择两方面进行了实验验证,并对制作完成的高分子电容式湿敏元件进行性能测试与数据分析。实验结果表明：通过控制制作工艺和对湿敏材料进行改性可以降低湿滞,湿滞优于1.5%RH。采用该方法制作的湿敏元件无需再次通过后续电路进行湿滞补偿。     

Optical humidity sensor using porphyrin immobilized Nafion composite films

A Nafion–TMPyP composite film was used in an optical humidity sensor. The composites were prepared with various molar ratios between the sulfonic groups and TMPyP molecules, R = [–SO₃H]/[TMPyP]. The UV–vis measurement of the composite films suggested that the TMPyP molecules were well dispersed at in the range of R = 60–100, but formed aggregates at R ≤ 20. Furthermore, the FTIR indicated that sulfonic group interacted with TMPyP. The reflectance change with relative humidity (%RH) occurred at 426.4 and 465.4 nm with the isosbestic point at 437.5 nm, and also in the Q-band region. The sensors of R = 30 and 40 sensitively responded to humidity in the lower humidity region (10–20%RH), but saturated or even decreased with further increase in humidity. At R = 60, the sensitivity slightly decreased but a measurable range was extended to around 70%RH. Remarkable deterioration in sensitivity occurred at R = 100. The TMPyP molecules were stably immobilized on a Nafion matrix, even in liquid water, without solving out.     

MEMS-based humidity sensor with integrated temperature compensation mechanism

This study applies conventional micro-electro-mechanical systems (MEMS) techniques to develop a novel low-cost humidity sensor comprising a silicon substrate, a freestanding cantilever and an integrated resistive thermal sensor. The cantilever has a composite structure comprising a thin layer of platinum (Pt) deposited on a silicon nitride layer and then covered with a polyimide sensing layer. The cantilever deflected in the upward direction as water molecules absorbed by the polyimide sensing layer. The humidity sensor chip caused a measurable change in the resistance of the platinum layer. By compensating the change in the measured resistance by the ambient temperature, the absolute value of the relative humidity can be directly derived. The experimental results show that the sensor has a time-response of 0.9 s when exposed to a sudden humidity change of 65%RH to 95%RH. The sensitivity of the sensors decreases as the temperature increases. Furthermore, the sensor with the longest Pt resistor has the greatest sensitivity. In additions, the temperature-calibrated resistance signal generated by the sensor varies linearly with the ambient humidity.