程子豪，宋 智，夏雨人，薛嚴(yán)冰

(1.大連交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.大連交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

0 引言

為滿足對(duì)未來電子設(shè)備的可穿戴需求，學(xué)者們致力于研究工藝簡單、成本低、柔性可穿戴的濕度傳感器，以實(shí)現(xiàn)它們?cè)诒銛y式監(jiān)測(cè)儀、包裝、電子紡織品等方面的應(yīng)用[1]。

對(duì)于柔性濕度傳感器，當(dāng)前主要分為電容式[2-4]、電阻式[5-6]、諧振式[7-9]3類。電容式濕度傳感器的功耗更小、響應(yīng)較快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)線性度好、受溫度影響小[10]。近年來，利用紙質(zhì)材料自身良好的吸濕性，學(xué)者們提出了一種無需濕敏材料的紙基濕度傳感器[11-12]。文獻(xiàn)[11]直接用鉛筆在普通打印紙上繪制叉指電極實(shí)現(xiàn)了一種電容式濕度傳感器，制作簡單、成本低，但不適于快速生產(chǎn)，且傳感器的靈敏度在相對(duì)濕度30%～99%范圍內(nèi)僅有216%。文獻(xiàn)[12]以普通打印紙為基底，利用絲網(wǎng)印刷工藝制成濕度傳感器，制作簡便，最大靈敏度達(dá)到1 214%，但響應(yīng)時(shí)間在5 min以上，響應(yīng)速度慢，濕敏性能有限。

綜上，由于無濕敏材料的加載，傳感器自身紙基底對(duì)水分子的敏感性就成為影響傳感器性能的最主要因素。本文從IDE指數(shù)等影響傳感器濕敏性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，利用COMSOL Multipysics軟件仿真設(shè)計(jì)了兼顧高靈敏度、快速響應(yīng)的電容式紙基濕度傳感器模型。利用絲網(wǎng)印刷工藝將模型結(jié)構(gòu)印在3種不同的紙基底上，測(cè)試研究3種傳感器的濕敏性能，得到具有高靈敏度、快速響應(yīng)/恢復(fù)速度的紙基無濕敏材料傳感器，最后測(cè)試選擇了傳感器的合理工作電壓頻率，進(jìn)一步優(yōu)化了器件性能。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用IDE電容器作為傳感器的基本結(jié)構(gòu)，傳感器尺寸固定為20 mm×25 mm。通過仿真不同IDE指數(shù)傳感器的濕敏性能，優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，建立綜合性能最好的紙基無濕敏材料濕度傳感器模型。

1.1 傳感器濕敏原理仿真

利用有限元仿真軟件COMSOL Multipysics對(duì)傳感器的性能進(jìn)行仿真。環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃，銀質(zhì)電極，紙基底的初始介電常數(shù)設(shè)定為3[13]。

1.1.1 仿真模型及參數(shù)

建立如圖1所示的10指、20指、30指IDE結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)一定義基底厚度為0.24 mm。3種結(jié)構(gòu)的指長都為15 mm，其中10指的指寬和指間距為1 mm；20指的為0.5 mm；30指的為0.35 mm。

1.1.2 IDE指數(shù)對(duì)傳感器性能的影響

在0～100%濕度范圍內(nèi)，工作電壓為1 V/1 kHz的條件下，仿真分析10指、20指、30指IDE結(jié)構(gòu)傳感器的濕敏特性，結(jié)果如圖2所示，可以看出傳感器的輸出電容值與相對(duì)濕度成正相關(guān)，且IDE指數(shù)越多傳感器靈敏度越高。在圖2(a)中，利用電容變化倍率計(jì)算傳感器的靈敏度:

(1)

式中：SRH為某濕度點(diǎn)傳感器的靈敏度；CRH為某濕度點(diǎn)傳感器的輸出電容；C0為初始濕度點(diǎn)傳感器的電容。

圖2(b)為瞬態(tài)仿真結(jié)果，為了方便對(duì)比，對(duì)3種結(jié)構(gòu)傳感器的輸出電容值做了歸一化處理，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間定義為電容值達(dá)到總電容變化量的90%時(shí)所用的時(shí)間。隨著電極指數(shù)的增加，傳感器的響應(yīng)時(shí)間由162 s增加至270 s，恢復(fù)時(shí)間由199 s增加至343 s。由仿真結(jié)果分析，IDE指數(shù)的增加明顯增強(qiáng)了傳感器的靈敏度，但也減緩了其響應(yīng)/恢復(fù)速度。相較之下，20指IDE傳感器兼顧高靈敏度(1 043.9%)、良好的響應(yīng)/恢復(fù)速度(198 s/241 s)，綜合性能最優(yōu)。

(a)濕度敏感性

(b)響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間圖2 紙基濕度傳感器仿真結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)

選擇厚度皆為0.24 mm的A4打印紙(180 g/m2)、柯達(dá)相紙(200 g/m2)、雙面銅版紙(260 g/m2)3種紙基底制作傳感器。

采用絲網(wǎng)印刷工藝制作IDE層，印刷材料為導(dǎo)電銀漿(ED002)，干燥設(shè)備為電熱鼓風(fēng)干箱(DHG-9245A)。制成的紙基濕度傳感器如圖3(a)所示，其中導(dǎo)線用環(huán)氧導(dǎo)電膠混合銅粉粘接。

搭建圖3(b)所示的靈敏度測(cè)試平臺(tái)[14]，包括密封測(cè)試罐、加熱板、混濕風(fēng)扇、注射器、溫濕度儀。加熱板用來蒸發(fā)注射器注入的定量水珠，利用混濕風(fēng)扇使水蒸氣均勻分散于密封測(cè)試罐中，通過標(biāo)準(zhǔn)溫濕度儀記錄罐內(nèi)溫濕度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)罐內(nèi)相對(duì)濕度的控制。圖3(c)為傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)性能測(cè)試盒，將飽和硫酸銅溶液置于密封盒內(nèi)靜置48 h以上，以創(chuàng)造穩(wěn)定的95%高濕環(huán)境，測(cè)試時(shí)將傳感器通過開孔處插入/拿出密封盒。采用LCR測(cè)試儀(LCR-821)實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄傳感器的電容值隨濕度不同而產(chǎn)生的變化。

(a)紙基濕度傳感器

(b)靈敏度測(cè)試設(shè)備

(c)響應(yīng)/恢復(fù)性能測(cè)試盒

3 結(jié)果與分析

在25 ℃室溫、相對(duì)濕度40%～99%范圍內(nèi)對(duì)所制紙基濕度傳感器進(jìn)行了感濕特性測(cè)試，驗(yàn)證了制作工藝的一致性，研究了紙基類型、工作電壓頻率對(duì)其性能的影響。

3.1 工藝一致性

為了驗(yàn)證制作工藝一致性，測(cè)試了以柯達(dá)相紙為基底的20指IDE傳感器3個(gè)樣品的靈敏度，每個(gè)濕度點(diǎn)的靈敏度數(shù)據(jù)取傳感器響應(yīng)穩(wěn)定后60個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值，圖4為一致性測(cè)試結(jié)果。

圖4 工藝一致性測(cè)試結(jié)果

可以看出，3個(gè)樣品在40%～99%濕度范圍內(nèi)靈敏度皆具有較小的相對(duì)誤差，最大相對(duì)誤差為15%，出現(xiàn)在70%濕度下。制作工藝對(duì)傳感器性能的影響較小，表現(xiàn)出良好的工藝一致性。

3.2 紙基類型對(duì)傳感器靈敏度的影響

設(shè)置工作電壓為1 V/1 kHz，分別以打印紙、柯達(dá)相紙、雙面銅版紙為基底對(duì)20指IDE傳感器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

(a)濕度敏感性

(b)響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間圖5 紙基類型對(duì)傳感器靈敏度的影響

由圖5(a)看出，3種基底的濕度傳感器電容皆與濕度成正相關(guān)，靈敏度都在99%濕度下達(dá)到最高(打印紙為373%、柯達(dá)相紙為4 247%、雙面銅版紙323%)，在整個(gè)濕度范圍內(nèi)打印紙基底與雙面銅版紙基底傳感器的靈敏度幾乎相同，柯達(dá)相紙基底傳感器的靈敏度在較寬的濕度范圍內(nèi)都遠(yuǎn)高于兩者，表現(xiàn)出卓越的濕度敏感性。

將傳感器在40%的環(huán)境濕度下穩(wěn)定1 min后插入/取出密封盒，測(cè)試了濕度從40%階躍至95%的傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，如圖5(b)所示。雙面銅版紙有著最快的響應(yīng)速度(117 s)，柯達(dá)相紙的恢復(fù)時(shí)間最快(145 s),打印紙的響應(yīng)/恢復(fù)速度都不理想。通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，以柯達(dá)相紙為基底的20指IDE傳感器綜合性能最優(yōu)，之后統(tǒng)稱為Ⅰ型傳感器。

3.3 工作電壓頻率對(duì)傳感器性能的影響

分別在1 V/1 000 Hz、1 V/500 Hz、1 V/200 Hz、1 V/100 Hz的工作電壓下，用上述相同的方法測(cè)試了Ⅰ型傳感器的濕敏性能，結(jié)果如圖6所示。

(a)濕度敏感性

(b)響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間圖6 電壓頻率對(duì)Ⅰ型傳感器性能的影響

由圖6(a)可以看出，工作于4種電壓頻率內(nèi)的Ⅰ型傳感器在40%～70%濕度范圍內(nèi)的靈敏度變化幅度不大，當(dāng)濕度高于70 %后靈敏度才開始大幅增長，測(cè)試電壓頻率越低，傳感器靈敏度越高。圖6(b)中，工作頻率對(duì)Ⅰ型傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間的影響是不規(guī)律的，較低的電壓頻率可以加快傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)速度，如果電壓頻率過低，同樣會(huì)對(duì)傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)速度產(chǎn)生不利影響。不同工作頻率下Ⅰ型傳感器的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同電壓頻率下Ⅰ型傳感器的性能

對(duì)比以上測(cè)試結(jié)果，1 V/200 Hz工作電壓下的Ⅰ型傳感器具有最優(yōu)的綜合性能。且容易看出在所有的測(cè)試中，紙基濕度傳感器對(duì)濕度的響應(yīng)整體都是非線性的，其靈敏度與濕度成正相關(guān)。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于在低濕環(huán)境下，紙張表面吸附水分子主要依靠速率較慢的化學(xué)吸附，而在高濕環(huán)境下逐層進(jìn)行快速的物理吸附。這必然導(dǎo)致介電常數(shù)和電容的顯著增加。

在25 ℃、1 V/200 Hz的工作電壓下，測(cè)試了Ⅰ型傳感器的重復(fù)性和長期一致性，結(jié)果顯示其在3個(gè)響應(yīng)/恢復(fù)周期內(nèi)的最大靈敏度相對(duì)誤差不超過7%，在連續(xù)15天70%環(huán)境下的靈敏度最大相對(duì)誤差為6.8%，表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。

為了評(píng)估本文研制濕度傳感器的性能，對(duì)不同電容式紙基無濕敏材料濕度傳感器進(jìn)行比較，如表2所示。與文獻(xiàn)所報(bào)道的傳感器相比，本文研制的傳感器兼顧了高靈敏度和快速的響應(yīng)/恢復(fù)速度，有利于應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

表2 不同電容式紙基無濕敏材料濕度傳感器性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)及選擇合適的紙基底類型，解決了當(dāng)前電容式紙基無濕敏材料濕度傳感器無法同時(shí)具備高靈敏度、快速響應(yīng)/恢復(fù)速度的問題，通過改變傳感器的工作電壓頻率，進(jìn)一步優(yōu)化了傳感器性能。得出結(jié)論如下：

(1)IDE指數(shù)影響著傳感器的濕敏性能。相同傳感器尺寸下，IDE指數(shù)越多，傳感器的靈敏度越高、響應(yīng)/恢復(fù)速度越慢。

(2)紙基底的類型對(duì)傳感器濕敏性能影響至關(guān)重要。雙面銅版紙的靈敏度最低，打印紙次之，柯達(dá)相紙靈敏度遠(yuǎn)高于前兩者，在高濕下達(dá)到了4 247%，雙面銅版紙具有最快的響應(yīng)速度，柯達(dá)相紙的恢復(fù)時(shí)間最短，打印紙的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間均高于4 min，性能較差。研究結(jié)果為電容式紙基無濕敏材料濕度傳感器基底選擇提供了參考。

(3)根據(jù)需求，應(yīng)選擇合適的工作電壓頻率。工作電壓頻率的降低，明顯提高了紙基濕度傳感器的靈敏度，但其對(duì)傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間的影響并不是規(guī)律的。

(4)通過測(cè)試得出，以柯達(dá)相紙為基底的20指IDE傳感器在200 Hz的工作電壓下具有高達(dá)7 379%的靈敏度，以及108 s/131 s的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)具有良好的一致性、重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。