基于新型纳米材料的GHz声表面波湿度传感器的研究

• 作 者: 刘源
• 机 构: 厦门大学
• 出 处: 厦门大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 湿度传感器 声表面波 湿敏材料 工作频率

随着物联网应用的不断扩展，需要大量传感器节点组成无线传感网络以实现未来万物互联的目标。其中，湿度测量器件在智能家居、气象、工业控制等领域是最为广泛和基础的传感器节点。为了实现无线传感网络，现有的电阻、电容型传感器件需要独立的电源系统持续供电，而在电池容量有限的条件下，器件需要采用占空比方式工作，即在高功耗的传感工作状态之间加入待机模式，以减小传感器节点的总功耗。由于待机模式的存在，无法对整个环境状态进行实时、无缝的检测，且由于构成节点的传感元件一般属于相对高功耗的器件，电池寿命始终有限。声表面波(surface acoustic wave，SAW)传感器由于无需额外能量，即可通过压电材料和叉指电极的组合，实现电磁波与机械波的可逆能量转换过程，是一种真正的无线无源的传感技术，有望成为未来低功耗传感的解决方案。此类器件通过外界环境变化对固体表面的SAW产生扰动，进而实现对环境变量的测量，其灵敏度与声表面波能量在固体表面的限制程度相关。通过提高器件工作频率，有助于减小SAW能量深入衬底体内，从而提高传感器性能。　　目前被广泛研究的SAW湿度传感器的工作频率普遍低于500 MHz，属于P波段(＜1000 MHz)器件，其传感器尺寸较大，且较低的工作频率限制了灵敏度的提高。在本论文中，我们通过分析声表面波谐振器的工作原理，设计了基于128°YX-LiNbO3衬底的SAW器件，并对其进行有限元仿真。同时采用亚微米电子束曝光工艺，通过改进抗蚀剂结构并对邻近效应进行校正，成功制备了工作在L波段(1～2 GHz)的高频声表面波谐振器。进而开展了基于新型湿敏材料的高频SAW湿度传感器的研究:　　(1)针对CeO2纳米颗粒容易团聚造成SAW大幅损耗的问题，我们通过静电纺丝方法在高频SAW谐振器表面原位沉积包覆了CeO2纳米颗粒的PVP纳米纤维作为湿敏材料。相比于低频SAW器件(879 MHz)，基于L波段的传感器(1.56GHz)在11％RH-95％RH范围内表现出8倍于前者的频率响应。同时通过改变CeO2含量，可调节纳米纤维形貌，并充分利用无机CeO2纳米粒子和有机PVP材料复合后的协同效应，提高器件灵敏度和长期稳定性。　　(2)利用水热合成方法制备一维Ni(SO4)0.3(OH)1.4(NSOH)纳米带并通过后续热处理得到直径约50 nm的NiO纳米颗粒，然后通过旋涂法将两种纳米材料均匀涂覆在高频SAW谐振器表面制成湿度传感器。基于NiO纳米颗粒的SAW传感器由于其特殊的表面化学结构和多孔的表面形貌，其频率响应在11％-85％RH范围为-5.81 MHz，高于基于NSOH纳米带的器件，并且表现出较快的响应(23 s)和恢复(4 s)时间。同时该器件对水分子具有良好的选择性，即使工作与L波段，其他气体对传感器的频率响应干扰较小。　　(3)采用新型PEVImBr聚离子液体作为高频SAW湿度传感器的敏感材料，通过对PEVImBr进行核磁共振分析发现单体已经通过侧基的双键成功聚合，提高了材料的稳定性。基于PEVImBr薄膜的高频SAW湿度传感器在11％-69％RH范围内，器件频率响应高达-26.4MHz，高于以CeO2/PVP和NiO为敏感材料的SAW器件。同时，器件具有极低的湿滞且在低湿范围内表现出良好的重复性。该传感器在11％-69％RH范围内表现出优异的性能主要归因于PEVImBr聚离子液体较好的亲水性和离子导电特性。