柔性衬底LC湿度传感器

论文总字数：25030字

摘 要

LC无线无源传感器节点内部没有有源元件，并且结构简单，因此具有很长的寿命，已有的LC湿度传感器大多为硬性衬底，其应用场景受限。因此，本文设计和制作一种柔性衬底的LC湿度传感器。

设计的结构是在柔性聚酰亚胺衬底上做一个由平面螺旋电感和平面叉指电容组合成的金属层，通过打通孔在背面连接的方法使其形成一个LC并联回路。利用敏感电容在不同湿度下电容值会发生改变的特性，通过外部无线测量回路的谐振频率，从而间接地得出湿度的大小。所使用的湿度敏感材是氧化石墨烯，氧化石墨烯是一种新型材料，感湿效果非常好，因此传感器具有很高的灵敏度。从所设计的传感器的线宽和尺寸考虑，决定采用印刷工艺实现，使用银浆作为印刷用的油墨，工艺较为简单。随后对制作的湿度传感器进行了测试，结果表明传感器在常温下的灵敏度达到了-72.00kHz/%RH，结果较为理想。最后在不同电感圈数、不同温度以及不同弯曲度下，对传感器的性能进行了测试与分析。

关键词：LC无线无源、湿度传感器、柔性衬底

Abstract

LC wireless passive sensor nodes have no active components inside, and have a simple structure, so they have a long life. The existing LC humidity sensors are mostly hard substrates, and their application scenarios are limited. Therefore, this paper designs and fabricates an LC humidity sensor with a flexible substrate.

The structure is designed to be a metal layer composed of a planar spiral inductor and a planar interdigital capacitor on a flexible polyimide substrate, which is connected to the back side by a through hole to form an LC parallel loop. By utilizing the characteristic that the capacitance of the sensitive capacitor changes under different humidity, the humidity is indirectly measured by the external wireless measurement loop. The moisture sensitive material used is graphene oxide. Graphene oxide is a new type of material, and the moisture sensitive effect is very good, so the sensor has high sensitivity. Considering the line width and size of the designed sensor, it is decided to use the printing process and use of silver paste as the printing ink,so the process is relatively simple. Subsequently, the prepared humidity sensor was tested. The results show that the sensitivity of the sensor at room temperature reaches -72.00 kHz/% RH, and the result is ideal. Finally, the performance of the sensor was tested and analyzed under different inductance turns, different temperatures and different bending degrees.

KEY WORDS: LC wireless passive, Humidity Sensor, Flexible substrate

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 湿度传感器研究概述 1

1.2.1 湿度传感器的应用意义 1

1.2.2 湿度传感器的发展 2

1.2.3 LC无线无源湿度传感器 3

1.3 柔性衬底材料 5

1.4 本论文的主要工作 6

第二章 LC无线无源传感器的基础理论 8

2.1 LC谐振电路 8

2.2 LC湿度传感器的检测原理 9

2.3 感湿机理 14

2.4 本章小结 15

第三章 LC无线无源湿度传感器的实现 16

3.1 LC湿度传感器的结构设计 16

3.1.1 平面电感结构 16

3.1.2 敏感电容结构 17

3.1.3 传感器的参数设计 18

3.2 LC湿度传感器的设计仿真 21

3.2.1 ADS简介 21

3.2.2 传感器结构的ADS仿真 21

3.3 LC湿度传感器的实现 24

3.4 LC湿度传感器的测试与分析 25

3.5 本章小结 31

第四章 总结与展望 32

4.1 工作总结 32

4.2 工作展望 33

参考文献 34

致 谢 36

1. 绪论
   1. 引言

MEMS （Micro-Electro-Mechanical-System），即“微电子机械系统”，是由集成电路（Integrated Circuit, IC）工业衍生而来，但是发展至今，其范畴已远超于集成电路。MEMS是在微电子技术之上发展的多学科交叉的前沿领域，MEMS传感器与传统的传感器相比，具有诸多的优点：体积小、低成本、质量轻、易于批量化生产等。

无线传感网是物联网底层网络的重要技术形式，它是一个自组织网络系统,通常由通过无线的方式形成的检测区域内的大量传感器节点组成[1,2]。无线无源内部不含电池，因此体积可以大大缩减，并且因为无需更换电池而具有很长的寿命。正是由于以上的优势，无线无源传感器在密闭、旋转和高温恶劣环境下具有不可替代的优势。

在过去的几年里，一些部门需要在柔性基板上制造新的传感器，这种传感器需要具有重量轻、牢固和成本低廉等特点。而在很多的应用中，灵活性是最基本的要求之一，因为在一些场景下传感器需要具有曲面结构或者能够经受反复的弯曲，因此柔性传感器就得到了迫切的需求。比如，在食品应用中就可以使用柔性传感器，可以检测食品包装周围或是内部一些重要的参数；同样，在医学应用中，灵活的传感器系统既可以用作能够检测皮肤病状的智能膏药，也可以用作血液分析的一次性传感器[3,4]。其他可以使用柔性传感器的重要领域是所有使用射频识别（RFID）技术的应用[5]。

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