基于新型納米材料的GHz聲表面波濕度傳感器的研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，需要大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的目標(biāo)。其中，濕度測(cè)量器件在智能家居、氣象、工業(yè)控制等領(lǐng)域是最為廣泛和基礎(chǔ)的傳感器節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的電阻、電容型傳感器件需要獨(dú)立的電源系統(tǒng)持續(xù)供電，而在電池容量有限的條件下，器件需要采用占空比方式工作，即在高功耗的傳感工作狀態(tài)之間加入待機(jī)模式，以減小傳感器節(jié)點(diǎn)的總功耗。由于待機(jī)模式的存在，無(wú)法對(duì)整個(gè)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)縫的檢測(cè)，且由于構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的

2、傳感元件一般屬于相對(duì)高功耗的器件，電池壽命始終有限。聲表面波(surface acoustic wave，SAW)傳感器由于無(wú)需額外能量，即可通過(guò)壓電材料和叉指電極的組合，實(shí)現(xiàn)電磁波與機(jī)械波的可逆能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，是一種真正的無(wú)線無(wú)源的傳感技術(shù)，有望成為未來(lái)低功耗傳感的解決方案。此類器件通過(guò)外界環(huán)境變化對(duì)固體表面的SAW產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變量的測(cè)量，其靈敏度與聲表面波能量在固體表面的限制程度相關(guān)。通過(guò)提高器件工作頻率，有助于減小SAW

3、能量深入襯底體內(nèi)，從而提高傳感器性能。
　　目前被廣泛研究的SAW濕度傳感器的工作頻率普遍低于500 MHz，屬于P波段(＜1000 MHz)器件，其傳感器尺寸較大，且較低的工作頻率限制了靈敏度的提高。在本論文中，我們通過(guò)分析聲表面波諧振器的工作原理，設(shè)計(jì)了基于128°YX-LiNbO3襯底的SAW器件，并對(duì)其進(jìn)行有限元仿真。同時(shí)采用亞微米電子束曝光工藝，通過(guò)改進(jìn)抗蝕劑結(jié)構(gòu)并對(duì)鄰近效應(yīng)進(jìn)行校正，成功制備了工作在L波段(1～2 GH

4、z)的高頻聲表面波諧振器。進(jìn)而開(kāi)展了基于新型濕敏材料的高頻SAW濕度傳感器的研究:
　　(1)針對(duì)CeO2納米顆粒容易團(tuán)聚造成SAW大幅損耗的問(wèn)題，我們通過(guò)靜電紡絲方法在高頻SAW諧振器表面原位沉積包覆了CeO2納米顆粒的PVP納米纖維作為濕敏材料。相比于低頻SAW器件(879 MHz)，基于L波段的傳感器(1.56GHz)在11％RH-95％RH范圍內(nèi)表現(xiàn)出8倍于前者的頻率響應(yīng)。同時(shí)通過(guò)改變CeO2含量，可調(diào)節(jié)納米纖維形貌，并充

5、分利用無(wú)機(jī)CeO2納米粒子和有機(jī)PVP材料復(fù)合后的協(xié)同效應(yīng)，提高器件靈敏度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　(2)利用水熱合成方法制備一維Ni(SO4)0.3(OH)1.4(NSOH)納米帶并通過(guò)后續(xù)熱處理得到直徑約50 nm的NiO納米顆粒，然后通過(guò)旋涂法將兩種納米材料均勻涂覆在高頻SAW諧振器表面制成濕度傳感器?；贜iO納米顆粒的SAW傳感器由于其特殊的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和多孔的表面形貌，其頻率響應(yīng)在11％-85％RH范圍為-5.81 MHz，

6、高于基于NSOH納米帶的器件，并且表現(xiàn)出較快的響應(yīng)(23 s)和恢復(fù)(4 s)時(shí)間。同時(shí)該器件對(duì)水分子具有良好的選擇性，即使工作與L波段，其他氣體對(duì)傳感器的頻率響應(yīng)干擾較小。
　　(3)采用新型PEVImBr聚離子液體作為高頻SAW濕度傳感器的敏感材料，通過(guò)對(duì)PEVImBr進(jìn)行核磁共振分析發(fā)現(xiàn)單體已經(jīng)通過(guò)側(cè)基的雙鍵成功聚合，提高了材料的穩(wěn)定性。基于PEVImBr薄膜的高頻SAW濕度傳感器在11％-69％RH范圍內(nèi)，器件頻率響應(yīng)高達(dá)