基于新型纳米材料的GHz声表面波湿度传感器的研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 声表面波器件简介

1．2．1 波与振动

1．2．2 声表面波器件的分类

1．2．3 声表面波器件的结构

1．3 声表面波传感器分类与介绍

1．3．1 无线传感网络

1．3．2 声表面波传感技术

1．3．3 声表面波温度传感器

1．3．4 声表面波紫外传感器

1．3．5 声表面波气体传感器

1．3．6 声表面波湿度传感器

1．4 高频声表面波器件简介

1．4．1 高频声表面波器件的衬底研究进展

1．4．2 高频声表面波器件的加工工艺进展

1．4．3 高频声表面波传感器的研究进展

1．5 本论文研究内容与章节安排

第二章 高频声表面波谐振器的设计与传感机理

2．1 SAW单端口谐振器原理

2．2 高频SAW单端口谐振器的设计

2．2．1 高频SAW单端口谐振器IDT的设计

2．2．2 高频SAW单端口谐振器反射栅的设计

2．2．3 高频SAW单端口谐振器压电衬底的选择

2．3 高频SAW单端口谐振器的模拟

2．3．1 应用于SAW器件的有限元方法

2．3．2 高频SAW谐振器的有限元模拟

2．4 SAW湿度传感器敏感机理

2．5 本章小结

第三章 基于电子束曝光工艺的高频SAW器件制作

3．1 电子束曝光工艺

3．1．1 电子束曝光工艺简介

3．1．2 电子束曝光系统

3．1．3 电子束曝光原理

3．2 基于电子束曝光的SAW器件工艺

3．2．1 双层PMMA正胶工艺

3．2．2 电荷积聚效应

3．2．3 曝光剂量的控制与调整

3．2．4 高频SAW器件的工艺流程

3．3 高频SAW器件的封装与测试

3．3．1 高频SAW器件的封装

3．3．2 高频SAW器件的测试

3．4 小结

第四章 基于CeO2／PVP纳米纤维的高频SAW湿度传感器

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与设备

4．2．2 CeO2纳米颗粒合成

4．2．3 CeO2／PVP纳米纤维的制备

4．2．4 基于CeO2／PVP纳米纤维的SAW湿度传感器制作

4．2．5 材料表征与相对湿度的测量

4．3 结果与讨论

4．3．1 CeO2／PVP纳米纤维的形貌与结构

4．3．2 静电纺丝后SAW器件输出频率的测量

4．3．3 CeO2含量对高频SAW传感器湿敏特性的影响

4．3．4 谐振频率对CeO2／PVP纳米纤维湿敏性能的影响

4．3．5 基于CeO2／PVP的高频SAW湿度传感器稳定性研究

4．3．6 基于CeO2／PVP的高频SAW湿度传感器选择性研究

4．4 本章小结

第五章 基于NSOH纳米带和NiO纳米颗粒的SAW湿度传感器

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂与材料

5．2．2 NSOH和NiO纳米材料的合成

5．2．3 合成产物的表征

5．2．4 SAW传感器制作与相对湿度的测量

5．3 结果与讨论

5．3．1 NSOH纳米带和NiO纳米颗粒的表征

5．3．2 旋涂NSOH和NiO后的高频SAW器件输出频率

5．3．3 基于NSOH和NiO的高频SAW器件湿敏特性研究

5．3．4 基于NiO的高频SAW湿度传感器的选择性

5．3．5 基于NSOH和NiO的高频SAW传感器的稳定性

5．4 本章小结

第六章 基于聚离子液体的SAW湿度传感器的研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂与材料

6．2．2 聚离子液体PEVImBr的合成

6．2．3 聚离子液体的表征

6．2．4 SAW传感器制作与相对湿度的测量

6．3 结果与讨论

6．3．1 聚离子液体PEVImBr的表征

6．3．2 基于PILs的SAW器件的输出频率特性

6．3．3 基于PEVImBr的高频SAW器件湿敏特性

6．3．4 敏感机理

6．4 小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果