Исследование датчика относительной влажности воздуха, основанного на поверхностных акустических волнах

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

23

УДК 543.275.1

М. М. Деркач, А. В. Корляков

Исследование датчика относительной влажности воздуха, основанного на поверхностных акустических волнах

Ключевые слова: датчик влажности, поверхностные акустические волны, пленка, резонатор. Keywords: humidity sensor, surface acoustic waves, film, resonator.

Статья посвящена экспериментальному исследованию чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для датчика влажности. Элемент построен по принципу сорбционного датчика на основе резонатора с нанесенной на его поверхность селективной органической пленкой.

Введение

Датчики влажности являются наиболее простыми из химических сорбционных сенсоров. Они находят широкое применение во многих отраслях — от промышленности до производства бытовой электроники. Устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) имеют целый ряд преимуществ перед полупроводниковыми чипами. А потому выглядит соблазнительно применить их для создания всевозможных датчиков, в том числе беспроводных. Очень перспективным направлением использования сорбционных химических сенсоров на ПАВ с селективными пленками для биохимических и биологических исследований и в медицине. Такие датчики можно применять, например, в медицинских барокамерах, при контроле состава выдыхаемого пациентом воздуха, т. е. там, где нужны высокая точность и простота датчика.

Цель статьи — экспериментальное исследование чувствительного элемента датчика влажности на основе ПАВ резонатора.

Принцип работы и конструкция сенсора

Одновходовое устройство на ПАВ представляет собой звукопровод из пьезоматериала, на поверхности которого сформированы встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и отражающие решетки. При подаче сигнала с частотой, равной резонансной частоте ВШП, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию акустических ко-

лебаний и формируется ПАВ. Распространяясь по звукопроводу, ПАВ претерпевает отражение от отражающих структур и меняет направление на противоположное. ПАВ возвращается на ВШП и механическая энергия вновь преобразуется в электрическую, причем ПАВ-устройство фильтрует спектр входного сигнала, формируя ответный отклик новой формы. При создании сенсоров с покрытиями на ПАВ-компонентах нанесенная пленка оказывает начальное статическое влияние на характеристики устройства и продолжает динамически влиять на ПАВ за счет изменения их скорости. Скорость изменяется при изменении массы (плотности) или упругих свойств нанесенной пленки.

Исследованный датчик влажности состоит из чипа ПАВ-элемента, на который нанесена влаго-чувствительная пленка. Контактные площадки чипа свободны от пленки для обеспечения подключения. Исследован резонансный чувствительный элемент, на который нанесена пленка полимера Nafion методом центрифугирования. Толщина нанесенной пленки регулировалась разбавлением раствора полимера изопропиловым спиртом и увеличением скорости вращения центрифуги вплоть до предельного значения 10 000 оборотов в минуту. Для исследований использованы одновходовые ПАВ-резонаторы на центральные частоты 200 и 434 МГц.

Экспериментальные результаты

При сравнении резонаторов с тремя различными толщинами нанесенной влагочувствительной пленки (50, 100 и 150 нм) можно заметить, что чем больше толщина, тем выше начальное смещение частоты по сравнению с непокрытым резонатором (рис. 1). По критерию влагочувствительности при построении графиков в осях относительная влажность — частота резонанса становится очевидным факт, что чувствительность к влаге растет с уменьшением толщины. Для объяснения этого факта необходимо обратиться к теоретическим представле-

биотехносфера

| № 5(47)/2016

24

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

426,8

426,6

425,2

425,0

20

40 60

Относительная влажность, %

80

100

Рис. 1

Зависимости частоты от относительной влажности воздуха для различных толщин нанесенной пленки:

- ---сорбция (пленка 100 нм); - А--сорбция (пленка 150 нм);

- ---сорбция (пленка 50 нм); ----- — десорбция (пленка 100 нм);

--—--десорбция

ниям о влиянии нанесенной пленки на параметры поверхностной акустической волны и анализу формул (1) и (2), связывающих замедление ПАВ, изменение частоты и характеристики пленки (формулы взяты из работы [1]):

= -pkh

v

\(

\

1 -

44

pv2 j

U +

(

+ U2 +

1 -

4c44

Pv2c33

f = K ^,

f v

U2

где р — плотность пленки; h — толщина пленки; сц — упругие константы пленки; k — волновое число; Ui — перемещение по соответствующим осям; V — скорость ПАВ; Ди — замедление; f — частота резонанса; Дf — изменение частоты; К — коэффициент пропорциональности.

Из-за наличия двух режимов влагочувствитель-ности, называемых массочувствительным и вязкостным (вязкоупругим), кривые влагочувстви-тельности имеют характерный вид, представляющий собой комбинацию прямой и полиномиальной кривой [2]. При малых значениях относительной влажности влагочувствительность и характер зависимости частоты от относительной влажности будут определяться приращением массы пленки за счет присоединяемой влаги. При этом влияние сорбируемой пленкой влаги на упругие свойства пленки будет незначительным.

При больших значениях относительной влажности воздуха упругие свойства пленки значительно меняются. Это приводит к сильному нелинейному изменению скорости ПАВ. Хотя масса присоединяемой влаги также оказывает влияние на скорость, но превалирующим является механизм именно из-

менений упругих свойств. Кроме того, при уменьшении толщины влагочувствительной пленки заметное изменение упругих свойств наступает при меньших значениях относительной влажности воздуха.

Характеристики измеряли с помощью векторного анализатора цепей Agilent E5071C при температуре 23 °С. Относительная влажность воздуха и температура прецизионно задавались с помощью калибровочного генератора влажности HygroGen 2 ф. Rotronic. Характерной особенностью всех кривых (рис. 1) является наличие участка, на котором частота изменяется линейно с изменением относительной влажности. Этот участок находится в области значений относительной влажности от 5 до 25 %. Также характерным для всех кривых является наличие участка, на котором частота нелинейно, близко к параболическому закону, изменяется с изменением относительной влажности. Этому участку соответствуют большие значения относительной влажности — более 70 %. Несомненно, что оба режима сосуществуют одновременно при всех значениях относительной влажности, но эти два участка — участки характеристического превалирования режимов. В промежутке между 25 и 70 % относительной влажности участок, на котором влияние обоих режимов на изменение частоты резонанса практически равнозначно. По кривым рис. 1 видно, что вязкостный режим влагочувстви-тельности ПАВ-резонатора с нанесенной пленкой наступает тем раньше, чем тоньше пленка.

Таким образом, влагочувствительность резонансного датчика относительной влажности воздуха на ПАВ растет с уменьшением толщины пленки вплоть до предельного технологического значения. В работе минимальная толщина составила 50 нм и была ограничена возможностями центрифугирования. Также уменьшение толщины покрытия уменьшает гистерезис датчика по влажности, что способствует повышению точности показаний.

0

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

а)

198,72

198,68

Я 198,64

§ 198,60

198,56

б)

198,52

425,65

425,55

425,45

а

Сч

* 425,35

425,25

425,15

425,05

0 20 40 60 80 100

Относительная влажность, % - --сорбция; » - десорбция

0 20 40 60 80 100

Относительная влажность, % - --сорбция; -- - десорбция

в)

S11, дБ -12,0

-12,5

-13,0

-13,5

-14,0

г)

-14,5

S11, дБ -16

-17

-18

-19

-20

-21

-22

А if Д\

С*

1

/d

/ к

0 20 40 60 80 100

Относительная влажность, % - --сорбция;  - десорбция

20 40 60 80 100

Относительная влажность, % - А--сорбция; ---- - десорбция

Рис. 2

Характеристики резонаторов с различными толщинами нанесенной пленки: а — влагочувствительность резонатора с пленкой 300 нм; б — влагочувствительность резонатора с пленкой 100 нм; в — коэффициент отражения резонатора с пленкой 300 нм; г — коэффициент отражения резонатора с пленкой 100 нм

Другим интересным эффектом является существование механизма компенсации изменения реактивной составляющей импеданса резонатора при изменении относительной влажности в области высоких значений. Причем этот эффект проявляет себя в очень тонких пленках. На рис. 2 показаны зависимости частоты от относительной влажности и коэффициента отражения от относительной влажности для резонаторов с толщинами пленок 300 и

с.

Rd

Ld

I C0

Рис. 3 \ Эквивалентная схема резонатора на ПАВ

100 нм. Измерения производились при температуре 23 °С. В настоящих исследованиях эффект был заметен при толщине пленок менее 150 нм.

Эквивалентная схема резонатора на ПАВ приведена на рис. 3 [3].

Уравнения (3)-(6) из работы [4] связывают коэффициент электромеханической связи (КЭМС) k2emc с частотами резонанса fr и антирезонанса far и выражают параметры эквивалентной схемы (динамические емкость Cd, индуктивность Ld, сопротивление Rd) через связь со статической емкостью ВШП C0 и добротностью Q:

far =—-—;

4k2

1 *emc

I № 5(47)/2016

биотехносфера

0

п

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

Cd = C0

Ld =

f-t Y

-1

1

(2f )2 Cd

Rd =

1

2n.fj.CdQ

В массочувствительном режиме влагочувстви-тельности с ростом относительной влажности воздуха происходит насыщение пленки парами воды и растет ее диэлектрическая проницаемость. С ростом диэлектрической проницаемости пленки растет статическая емкость ВШП резонатора, что вызывает снижение коэффициента отражения резонатора. В вязкостном же режиме из-за взаимодействия ПАВ с насыщенной водой пленкой резко снижается КЭМС ПАВ (изменяются динамические параметры эквивалентной схемы: ЯСЬ.). Это компенсирует увеличение статической емкости.

Снижение КЭМС при больших значениях относительной влажности в образцах с малой толщиной влагочувствительной пленки может приводить к полной компенсации увеличения статической емкости или даже к превалированию изменения динамических параметров схемы над статической емкостью. Это выражается в появлении на кривой зависимости коэффициента отражения от относительной влажности площадок и перегибов.

Исследованные чувствительные элементы для использования в качестве датчика относительной влажности воздуха устанавливаются в металлоке-рамические корпуса QLCC 8/12, в крышках которых выполняется перфорация (рис. 4). Перфорация обеспечивает доступ влажного воздуха к резонатору.

Помещенные в металлокерамические корпуса резонаторы удобны для поверхностного монтажа и могут быть легко соединены с антенной. В таком марьяже получается беспроводной датчик влажности на ПАВ с наведенным питанием, как в работе [5].

Рис. 4

Чувствительный элемент датчика влажности в корпусе

Заключение

Чувствительный элемент датчика влажности на основе ПАВ-резонатора демонстрирует высокую влагочувствительность, которая обеспечивается малой толщиной наносимой полимерной пленки. С уменьшением толщины наносимой пленки повышается влагочувствительность и уменьшается гистерезис. Кроме того, меньшая толщина пленки способствует лучшему согласованию резонатора с генератором или антенной.

Литература

1. Малов Б. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиз-дат, 1989. 272 с.

2. Wen Wang, Chunbae Lim, Keekeun Lee, Sangsik Yang. Wireless surface acoustic wave chemical sensor for simultaneous measurement of CO2 and humidity // Journ. of MicroNanolithography, MEMS and MOEMS. 2009. N 8(3). P. 031306.

3. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: материалы, технология, конструкция, применения: пер. с чеш. М.: Мир, 1990. 584 с.

4. Hashimoto K.-Y. Surface acoustic wave devices in telecommunications. Modelling and simulation. Springer, 2000. 330 p.

5. Wang, R.-D., Chen, Y.-Y., Wu, T.-T. A surface acoustic wave impedance loaded sensor for wireless humidity measurement // Journ. of the Acoustical Society of America. 2008. Vol. 123, is. 5. P. 3646-3650.

2