Содержание к диссертации
Введение
1 Датчики и приборы для измерения влажности (обзор) 11
1.1 Основные типы датчиков влажности 11
1.1.1 Характеристики приборов для измерения относительной пппппппшвлажности воздуха 11
1.1.2 Емкостной сорбционный датчик влажности 12
1.1.3 Оптический датчик влажности 15
1.1.4 Резистивный сорбционный датчик влажности 17
1.1.5 Датчики влажности на основе полупроводниковых приборов 20
1.1.6 Влагочувствительные полимерные пленки 23
1.1.7 Сравнительная оценка параметров и особенностей пппппппшсуществующих датчиков влажности 30
1.2 Акустоэлектронные датчики влажности 30
1.2.1 Принципы работы датчиков на поверхностных акустических пппппппшволнах 30
1.2.2 Разработки в области датчиков влажности 37
1.2.3 Патенты на акустоэлектронные датчики влажности 43
1.3 Выводы по главе
1. Постановка задач исследования 46
2 Разработка чувствительного элемента 48
2.1 Разработка резонаторов для чувствительного элемента 48
2.2 Технология изготовления чувствительного элемента 59
2.3 Исследование резонаторов с влагочувствительным покрытием
2.3.1 Экспериментальные исследования резонаторов с пппппппшвлагочувствительными слоями 64
2.3.2 Анализ результатов экспериментальных исследований пппппппшрезонаторов 72
2.4 Чувствительный элемент 80
2.5 Выводы по главе 2 83
3 Антенное устройство 85
3.1 Антенны беспроводных пассивных датчиков 85
3.2 Разработка антенного устройства датчика влажности 93
3.3 Выводы по главе 3 105
4 Экспериментальные исследования датчика пвлажности 106
4.1 Исследования макета датчика 106
4.2 Выводы по главе 4 112
Заключение 113
Список сокращений и условных обозначений 115
Список литературы 117
- Емкостной сорбционный датчик влажности
- Акустоэлектронные датчики влажности
- Исследование резонаторов с влагочувствительным покрытием
- Разработка антенного устройства датчика влажности
Введение к работе
Актуальность работы. После создания первых приборов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и изучения их специфических особенностей, стали предприниматься попытки изготовить на их основе всевозможные датчики. За три десятилетия целый ряд датчиков на ПАВ оказался в производственной линейке некоторых ведущих компаний, в том числе Honeywell, Sensor Technology, Senseor. Это были датчики температуры, давления, деформации, крутящего момента, магнитного поля. Были разработаны как проводные датчики, являвшиеся оконечными компонентами сенсорных систем, так и беспроводные датчики, позволяющие создавать беспроводные сенсорные сети. Проблемы создания беспроводных физических датчиков на ПАВ широко освещены в работах C. S. Hartmann, Ю. В. Гуляева, В. Ф. Дмитриева, С. А. Жгуна, В. П. Плесского, А. С. Багдасаряна, D. Malocha и других. Вопросы построения химических датчиков проработаны в литературе менее подробно. Был предпринят ряд попыток создать и химические датчики на основе ПАВ-устройств. Они увенчались лишь частичным успехом. Представлено несколько типов коммерческих проводных химических датчиков на основе ПАВ-компонентов, использующих сорбционные явления в тонких пленках. Значительно больше химических датчиков на ПАВ с использованием как физической, так и химической адсорбции было создано в ходе лабораторных исследований. Однако создание пассивных (с наведенным питанием) беспроводных сорбционных датчиков пока не вышло за лабораторные стены.
Наиболее простым из химических датчиков и наиболее востребованным является датчик влажности. Беспроводной пассивный акустоэлектронный датчик влажности для коммерческого применения пока не представлен ни одной компанией. Это свидетельство затруднений, которые возникают при его создании. Эти затруднения заключаются в необходимости решения ряда взаимозависимых схемотехнических задач.
Разработано множество органических покрытий, которые призваны увеличить влагочувствительность датчиков на ПАВ. Некоторые исследователи применяют в разработках ПАВ-компоненты с подключением резистивных или емкостных датчиков. Такой вариант затрудняет массовое производство из-за введения в технологический процесс изготовления дополнительных операций. Прямое взаимодействие ПАВ с сорбированной на поверхности влагой не дает хорошей чувствительности и сказывается на уменьшении добротности и изменении импеданса акустоэлектронного компонента, что снижает дальность действия системы и предъявляет противоречивые требования по согласованию с антенной. Более продуктивным является нанесение селективного покрытия на поверхность акустоэлектронного устройства. Это снижает его добротность и
изменяет импеданс, но однократно, и позволяет согласовать антенное устройство на определенные значения импеданса и частоты.
Внедрение. Основные результаты диссертационной работы
непосредственно использованы при выполнении ОКР в рамках федеральной
целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и
радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, ОКР «Влажность» (государственный контракт № 9411.1006800.11.024 от 09.10.2009 г.), СЧ ОКР «Контроль-МСТ-Р» (договор № 11/80 от 28.11.2011 г.), ОКР «Нерв» (государственный контракт № 12411.1006899.11.074 от 14.05.2012 г.). Научные и практические результаты диссертационной работы использованы АО «НПП «Радар ммс» в ходе выполнения работ по ряду НИОКР на проведение исследований беспроводных пассивных датчиков и систем идентификации. Также результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Результаты работы подтверждены актами о внедрении.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование конструктивных и технологических основ создания беспроводного пассивного датчика относительной влажности воздуха с чувствительным элементом на поверхностных акустических волнах.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:
1. Анализ информации по тематике акустоэлектронных химических
датчиков, акустоэлектронных датчиков влажности на ПАВ и беспроводных
датчиков влажности.
2. Разработка, изготовление резонатора на ПАВ чувствительного
элемента датчика влажности.
3. Проведение экспериментальных исследований свойств
влагочувствительных пленок, нанесенных на поверхность резонатора на ПАВ.
4. Разработка согласованных антенн и проведение экспериментальных
исследований макетов.
5. Экспериментальные исследования беспроводного пассивного
акустоэлектронного датчика относительной влажности воздуха и температуры.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Впервые показано, что максимальная чувствительность датчика
влажности на основе резонатора на ПАВ с нанесенным слоем полимера нафион
достигается при вязкоупругом механизме влагочувствительности и
уменьшении толщины слоя вплоть до нарушения его сплошности.
-
Впервые показано, что в датчиках влажности на основе резонаторов на ПАВ с влагочувствительным наноразмерным слоем полимера нафион эффект перехода к ретроградной зависимости импеданса от влажности при уменьшении толщины слоя обусловлен доминированием вязкоупругого механизма влагочувствительности.
-
Впервые предложена схема беспроводного датчика, в которой каждый индивидуальный чувствительный элемент дифференциальной схемы соединен со своей отдельной антенной.
Теоретическая и практическая значимость результатов
-
Показано, что использование резонаторов на ПАВ с тонкими влагочувствительными пленками предпочтительнее с точки зрения чувствительности и согласования.
-
Разработана методика топологического согласования антенн с элементами на ПАВ.
3. Разработана методика старения влагочувствительных полимерных
пленок, нанесенных на акустоэлектронные элементы.
4. Показано преимущество схемы с симметричными элементами и двумя
антеннами по значениям величин амплитуды и отношения сигнал/шум
возвращенного сигнала датчика.
-
Разработан беспроводной пассивный акустоэлектронный датчик относительной влажности воздуха и температуры и исследованы его характеристики.
-
Разработанный беспроводной пассивный датчик относительной влажности воздуха и температуры имеет высокие характеристики по дальности считывания и точности определения влажности воздуха.
-
Основные теоретические и практические результаты разработки акустоэлектронного чувствительного элемента и антенн могут использоваться в других химических и физических датчиках на ПАВ.
Методы исследования. При решении поставленных задач в
диссертационной работе использовались методы: экспериментального
исследования, математического моделирования, полного электромагнитного
моделирования, статистической обработки результатов измерений,
аппроксимации эмпирических зависимостей, математического анализа и оптимизации.
Объект исследования – беспроводной датчик относительной влажности воздуха и температуры с чувствительными элементами на ПАВ.
Предмет исследования – оптимизация метрологических характеристик беспроводных датчиков влажности с наведенным электрическим питанием, использующих чувствительный элемент сорбционного типа на поверхностных акустических волнах, путем разработки полуколичественных эмпирических и компьютерных моделей, позволяющих исследовать и прогнозировать их основные характеристики, а также путем выработки новых конструктивных решений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Максимальная чувствительность датчика влажности на основе
резонатора на ПАВ с нанесенным слоем полимера нафион достигается при
вязкоупругом механизме влагочувствительности и уменьшении толщины слоя
вплоть до нарушения его сплошности.
2. В датчиках влажности на основе резонаторов на ПАВ с
влагочувствительным наноразмерным слоем полимера нафион эффект перехода
к ретроградной зависимости импеданса от влажности при уменьшении
толщины слоя обусловлен доминированием вязкоупругого механизма
влагочувствительности.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается
использованием оригинальных данных, полученных апробированными экспериментальными методами, и сопоставлением их с известными экспериментальными данными.
Для полного электромагнитного моделирования использовалось
специализированное программное обеспечение, подкрепленное
апробированными теоретическим методами исследований физических моделей.
Полученные в ходе выполнения диссертационного исследования результаты не противоречат ранее полученным данным, описанным в литературе другими авторами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
На всероссийских конференциях: Всероссийская конференция
«Электроника и микроэлектроника СВЧ» (СПб, 2013).
На международных конференциях: международная конференция «IEEE International Ultrasonic Symposium» (Чикаго, США, 2014); международная конференция «European Microwave Conference» (Париж, Франция, 2015).
На внутривузовских конференциях: 68-я научно-техническая
конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПб, 2015); 70-я научно-техническая конференция
профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПб, 2017).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, среди которых 2 статьи – в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в международных научно-технических журналах, индексированных в Scopus и Web of Science, 1 статья в российском научно-техническом журнале, 1 доклад в сборниках всероссийских научно-технических конференций, 2 доклада в сборниках международных научно-технической конференций.
Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автором выполнены основные расчеты,
проведено полное электромагнитное моделирование антенного устройства,
построение качественных и полуколичественных моделей. Автор лично
проводил экспериментальные исследования изготовленных образцов
чувствительных элементов, антенн и беспроводного датчика. Автором предложены методика старения влагочувствительной пленки, нанесенной на поверхность резонатора на ПАВ, и методика топологического согласования ПАВ-компонентов с антеннами.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 92 наименования. Работа выполнена на 128 страницах и содержит 39 рисунков, 6 таблиц, 1 приложение.
Емкостной сорбционный датчик влажности
Емкостные датчики влажности получили широчайшее распространение в современном промышленном оборудовании, бытовой технике и системах сбора метеорологических данных, что обусловлено оптимальным сочетанием различных качеств. Такие датчики изготавливаются в огромном количестве по технологиям, используемым в микроэлектронике [1].
Принципиально, емкостной датчик влажности представляет собой конденсатор, в котором изменению влажности соответствует изменение емкости. Это обеспечивается изменением диэлектрической проницаемости материала, находящегося между обкладками конденсатора. Используются полимерные материалы и материалы на основе оксидов металлов. Как известно, диэлектрическая проницаемость воды равна 81, а большинства материалов – единицы, лишь у нескольких групп веществ ее значение достигает тысяч и даже десятков тысяч. В зависимости от используемого материала емкость конденсатора может как увеличиваться в процессе сорбции влаги, так и уменьшаться [1].
Такие датчики конструктивно состоят из подложки, на которой расположен тонкопленочный слой поверх двух проводящих электродов, нанесенных на поверхность подложки. Электроды обычно выполняются из алюминия, золота либо никеля. Расстояние между ними от десятков до сотен мкм. Наносят электроды магнетронным распылением или вакуумным резистивным напылением. Чувствительная поверхность покрывается пористым металлическим электродом для защиты от загрязнения и конденсата. Также этот электрод определяет номинальную емкость датчика – собственно он и играет роль второй обкладки конденсатора. Материалом подложки обыкновенно служит стекло, керамика или кремний. Изменения диэлектрической проницаемости чувствительного слоя емкостного датчика практически прямо пропорциональны относительной влажности окружающего воздуха, в результате вид зависимости емкости такого датчика от относительной влажности воздуха близок к линейному. Колебание влажности на 1 % вызывает изменение емкости на 0,2-2,0 пФ, а изменение емкости в диапазоне относительной влажности от 5 до 98 % при комнатной температуре обыкновенно составляет от 100 до 200 пФ. Номинальная емкость датчиков составляет обычно 250-1000 пФ [1, 2].
В таких датчиках влажности некоторая нелинейность характеристик наблюдается в областях экстремальной относительной влажности – при малых значениях влажности (до 8-10 %) изменение емкости при изменении влажности на 25-50 % меньше чем в основной области, а при высокой влажности (более 90 %) примерно на такую же величину больше [3].
Весьма интересен верхний электрод. Хотя он и не имеет электрической связи с регистрирующим прибором, но он определяет основные параметры датчика. Он должен быть электропроводящим и химически стойким к действию влажного воздуха. Подходящими материалами являются золото, никель, платиновые металлы. Но сверх того, он должен обладать наиважнейшим свойством – пропускать влагу в материал диэлектрика. Для этого электрод делают пористым. Это обеспечивается тем, что при нанесении металла, будущий датчик отклоняют от вертикального направления потока атомов металла на достаточно большой угол, так чтобы атомы попадали на поверхность диэлектрика под очень острым углом и формировали сперва островковую структуру, которая затем по мере накопления материала превращается в пористую.
Емкостные датчики влажности отличаются низким температурным коэффициентом. Они имеют возможность работать и при высоких температурах вплоть до 200 С, при которых начинается деградация полимерного влагочувствительного материала [1, 2]. Емкостной датчик может полностью восстанавливаться от попадания конденсата и обладает умеренной химической стойкостью. Для более весомой защиты от конденсированной влаги датчик покрывают тонкой пористой полимерной пленкой, которая препятствует образованию капель влаги между электродами для предотвращения замыкания. Время отклика датчиков влажности такого типа составляет 30-60 с для изменения относительной влажности в диапазоне от 10 до 75 %.
Современные емкостные датчики интегрировали в себя последние достижения полупроводниковой микроэлектроники, что позволяет уменьшить смещения параметров и гистерезиса при длительном использовании. Тонкопленочные емкостные датчики изготавливаются на одной подложке с ИС усилителя сигнала [4]. Класс точности типичных емкостных датчиков при калибровке по двум точкам составляет ±2 % по относительной влажности в диапазоне от 5 до 98 % [1, 2, 4].
В свое время в СССР несколькими группами исследователей были разработаны датчики емкостного типа, отличающиеся друг от друга конструкцией и составом влагочувствительного слоя [5]. В качестве влагочувствительного слоя в них использовались оксид алюминия, пористые стекла, нейлон и некоторые синтетические смолы. Но наибольшее распространение в СССР получили емкостные датчики влажности с влагочувствительным слоем оксида алюминия. Их совершенствование идет и сейчас [5]. Некоторым примечательным преимуществом датчиков с неорганическим влагочувствительным материалом является много большая временная стабильность при длительной эксплуатации – органические полимеры склонны к деградации с течением времени под действием химикатов, света, тепла [1, 6].
Современные емкостные датчики для защиты покрываются пленкой термореактивного полимера, которая предохраняет чувствительный элемент от капельной влаги (о чем уже было сказано) и механически защищает его от повреждений, пыли и прямого действия света [1]. Если подвести итог, то в преимущества емкостных датчиков влажности можно записать широкий диапазон измерений, стойкость к конденсату и некоторую взаимозаменяемость. Недостатком является недостоверность измерений при высокой температуре [1].
Акустоэлектронные датчики влажности
На основе анализа литературных данных в Главе 1 для реализации беспроводного датчика относительной влажности воздуха была выбрана конструкция с резонансным чувствительным элементом на ПАВ. Резонатор на ПАВ должен иметь высокую добротность на рабочей частоте датчика и при этом малые вносимые потери и высокую устойчивость к изменению условий окружающей среды.
Подключение двух и более резонаторов в параллельном соединении для создания дифференциальной схемы приводит к тому, что в эквивалентной цепи каждого резонатора появляется паразитная емкость (емкость ВШП другого резонатора), которая существенно снижает добротность. Также изменяются зависящие от статической емкости ВШП значения динамических параметров.
Предлагаемое техническое решение состоит в использовании в беспроводном датчике относительной влажности воздуха антенного устройства с двумя антеннами, каждая из которых нагружена только одним из резонаторов, обеспечивает максимальные значения амплитуды и соотношения сигнал/шум возвращенного сигнала датчика.
Для получения достоверных данных по каналу чувствительности к влажности следует получать также данные по температуре окружающей среды, поэтому реализация датчика влажности требует применения дифференциальной резонансной измерительной схемы с двумя резонаторами, один из которых чувствителен только к температуре, другой же – к температуре и к влажности.
Однако оба резонатора должны иметь максимально согласованные характеристики по величине резонансного отклика. Исходя из этого, оба резонатора на ПАВ должны быть выполнены на одном срезе пьезоэлектрического материала в одном кристаллографическом направлении. Наиболее подходящим материалом для реализации таких высокодобротных резонаторов является кварц, обладающий максимальной добротностью. Так как на поверхность резонаторов предполагается наносить влагочувствительной покрытие, которое будет обладать своей собственной температурной зависимостью, то следует избрать срез кварца с малой температурной зависимостью частоты. Срезы с минимальным или нулевым ТКЧ у кварца достаточно распространены для волн Гуляева-Блюштейна-Шимизу (ВГБШ) и обыкновенных ПАВ волн (Рэлея и Лява). Одним из наиболее удачных срезов по характеристикам ТКЧ и малого затухания является ST-срез YX 42,75о (Y - плоскость среза, 42,75о - угол поворота плоскости среза от оси у, Х -основное направление распространения волн) [63, 64]. Это срез также обладает нулевым углом отклонения потока энергии, что упрощает проектирование резонаторов на нем.
Далее приводится разработанный алгоритм расчета устройств на ПАВ на основе модифицированных уравнений для связанных волн [65]. Теория расчета применима к ВШП и ОС любого типа, в том числе, к аподизованым преобразователям с линейной топологией и произвольно меняющимися периодом и полярностью подключения электродов к контактным шинам, и произвольно меняющимся шагом отражательных структур. Резонаторы для выполнения настоящих исследований были рассчитаны по методам связанных мод и Р-матриц, на основе методики изложенной в [66].
Алгоритм расчета, основанный на представлении ВШП и ОС (или отдельного электрода ВШП) в виде Р-матриц, позволяет использовать формализм теории цепей применительно к расчету устройств на ПАВ. Данная модель органично вписывается в метод связанных волн, формализуя процесс вычислений [63, 64].
Уравнения связанных волн в дифференциальной форме, описывающие две встречно распространяющиеся ПАВ и учитывающие процессы возбуждения и отражения. Метод расчета основан на рассмотрении в структуре устройства двух однородных плоских волн, распространяющихся во встречных направлениях: R(z,co) = R(co) exp(-jcaz), S(z,co)= S(co) exp(+jcaz), где R( x ), S( X ) - комплексные амплитуды поверхностных потенциалов c волновым числом к и круговой частотой , имеющие физический смысл поверхностных электрических потенциалов [67]. При распространении ПАВ в периодической структуре металлических электродов имеют место два процесса: процесс отражения ПАВ и процесс преобразования ПАВ. Присутствие металлических полосковых электродов на поверхности пьезоплаты изменяет скорость распространения волн и обуславливает взаимную связь между волнами. Взаимная связь обусловлена частичным отражением ПАВ от электродов и возбуждением ПАВ посредством высокочастотного тока, протекающего в электродах.
Можно записать уравнения, связывающие комплексные амплитуды волн на входе Rn(co), Sn(co) и выходе Rn+i(co), Sn+i(co) n-го элемента структуры и уравнение для тока через n-й электрод 1„. Уравнения связывают комплексные амплитуды падающих и прошедших волн справа и слева от n-го электрода или отражателя. В зависимости от того, выполняется расчет для ВШП или для ОС. Эти уравнения позволяют, зная комплексные амплитуды волн на входе ВШП (или ОС), а также коэффициенты f О) и гп , вычислить комплексные амплитуды волн на выходе ВШП (или ОС) и входную проводимость преобразователя [67]. Для удобства процесса вычисления представим уравнения в матричной форме:
Исследование резонаторов с влагочувствительным покрытием
В формулах (1) и (2) - плотность пленки, /г - толщина пленки, сгу - упругие характеристики пленки, к - волновое число, Ui - нормированные коэффициенты поверхностных смещений по соответствующим осям, V - скорость ПАВ, V -замедление, f - частота резонанса, / - изменение частоты, К - коэффициент пропорциональности.
Из-за наличия двух механизмов влагочувствительности, называемых массочувствительным и вязкоупругим (вязкостным), кривые влагочувствительности имеют характерный вид, представляющий собой комбинацию прямой и полиномиальной кривой [69]. При малых значениях относительной влажности влагочувствительность и характер зависимости частоты от относительной влажности будут определяться приращением массы пленки за счет присоединяемой влаги. При этом влияние сорбируемой пленкой влаги на упругие характеристики пленки будет незначительным.
Рассмотрим оба механизма в двух крайних приближения: малой влажности и большой влажности. Пусть на поверхность пьезоплаты резонатора нанесена влагочувствительная пленка толщиной h. Считаем толщину пленки постоянной величиной. Также считаем, что плотность пленки изменяется равномерно с изменением относительной влажности воздуха. Такое допущение правомерно, так толщина нанесенной влагочувствительной пленки в нашем случае много меньше длины волны ПАВ.
Сначала рассмотрим массочувствительный механизм. Влажность изменяется в области малых значений. Возьмем дифференциал про плотности : (AV { У J -k-h-(u2+U2+U2)dp.
Таким образом, замедление ПАВ при массочувствительном механизме влагочувствительности пропорционально плотности пленки, а, при переходе ко всей площади подложки, – массе [70]. Рассмотрим вязкоупругий механизм. Возьмем дифференциал по упругим характеристикам сij: d\ — V k-h-U2dc44 8-k-h-c44-U2dc44 4-k-h-c-U2dc44 4-k-h-c44-U2da У і x j 13 x x 13 V2 K2-c33 K2-c33 K2-c33 4-k-h-c44-(c13+c44)-U2xdc V2 -c332 Таким образом, замедление ПАВ при превалировании вязкоупругого механизма зависит от изменения упругих характеристик пленки.
При больших значениях относительной влажности воздуха упругие характеристики пленки будут значительно меняться при поглощении аддитивного количества влаги. Это будет приводить к сильному нелинейному изменению скорости ПАВ. Хотя масса присоединяемой влаги также будет оказывать влияние на скорость, но превалирующим окажется механизм именно изменений упругих характеристик [70, 71]. При уменьшении толщины влагочувствительной пленки заметное и значительное изменение упругих характеристик будет наступать и при меньших значениях относительной влажности воздуха. Предполагаем, что это и способствует к увеличению влагочувствительности датчика на основе ПАВ-резонатора при уменьшении толщины пленки. То есть, наступление вязкоупругого режима влагочувствительности резонатора на ПАВ с нанесенной пленкой наступает тем раньше, чем тоньше пленка.
Таким образом, показано, что с уменьшением толщины влагочувствительной пленки полимера нафион для ПАВ-резонаторов влагочувствительность растет и максимальная чувствительность достигается при вязкоупругом механизме влагочувствительности.
После нанесения пленок на поверхность резонаторов наблюдался процесс дрейфа параметров, который нивелировался применением дополнительной технологической операции – старения. Также старение должно было снизить влияние на датчик долгосрочной нестабильности чувствительных элементов. Методика старения была разработана на основе общепринятой методики старения влагочувствительных резистивных и емкостных элементов, но с отличиями. Предварительно подложки и отдельные чипы с нанесенной пленкой подвергались отжигу на воздухе в течение нескольких часов при температуре 120 оС. Сам процесс старения же состоял из последовательно чередующихся циклов 8 ч выдержки изделий при температуре 80 оС и относительной влажности 95 % и такой же температуры и влажности уже 5 %.
В процессе проведения исследований резонаторы с нанесенными пленками подвергались воздействию старения различной длительности. Первоначально, старение состояло из двух циклов при высокой влажности и одного цикла при низкой влажности, в сумме – 24 ч. Этого оказалось недостаточно для стабилизации параметров. Поэтому продолжительность процесса старения возросла до 40 ч – трех циклов при высокой влажности и двух циклов при низкой влажности. Для отдельных резонаторов были проведены процессы старения длительностью 120 ч. Исследования показали, что оптимальной длительностью процесса старения является значение 80 ч для тонких пленок влагочувствительного покрытия нафион. С увеличением толщины необходимо увеличивать продолжительность старения резонаторов. Для проведения старения резонаторов с нанесенными влагочувствительными слоями использовалась испытательная камера влажности–температуры–холода MHK-225CL ф. Terchy.
Разработка антенного устройства датчика влажности
После изготовления партии чувствительных элементов и платы антенны, отобранная пара резонаторов в корпусах была смонтирована на антенное устройство методом пайки припоем ПОС-61. Внешний вид опытного образца датчика относительной влажности воздуха и температуры показан на рисунке 37. После изготовления были проведены измерения импульсных характеристик опытного образца датчика по схеме измерений, показанной на рисунке А1 (Приложение А).
Измерения дальности действия датчика влажности производились с помощью осциллографа DSO80304 и генератора N5181A ф. Agilent. Для развязки приемного и передающего трактов применялся циркулятор C-UL-50-X/2 ф. Radiall. Дальность беспроводного считывания информации с датчика при уровне импульсной мощности 2 Вт и длительной в 10 мВт составила 2,0-2,5 м в условиях лаборатории. Для наглядности представления результатов использовалась встроенная функция математической обработки сигнала осциллографом – быстрое преобразование Фурье (FFT). Вид импульсной характеристики датчика влажности на экране осциллографа показан на рисунке 38. Дальность определялась как максимальное расстояние уверенного распознавания сигнала датчика на фоне шумов.
Измерения дальности действия датчика производились в лабораторном помещении, имеющем железобетонные стены и металлический потолок. Это накладывало отпечаток на определение дальности в различных направлениях из-за интерференции электромагнитных волн запросного сигнала. В помещении, таким образом, формировались области с максимумами и минимумами сигнала. На рисунке 39 показано беспроводное считывание показаний с датчика в лабораторных условиях.
После были проведены исследования влагочувствительности и погрешности измерений опытного образца датчика по схеме измерений, представленной на рисунке А2 (Приложение А). Перед проведением измерений датчик влажности был калиброван.
Калибровка проводилась по следующей методике. Датчик помещался в испытательную камеру влажности–температуры–холода MHK-225CL ф. Terchy. Дверца камеры является непрозрачной для радиосигнала, поэтому на ее место устанавливалось окно из оргстекла толщиной 15 мм, закреплявшиеся на камере с помощью распорок. Через окно для ввода проб в камеру устанавливался контрольный датчик влажности и температуры Testo-650 ф. Testo. С помощью камеры задавались значения относительной влажности и температуры, а приемопередающим устройством производилось считывание показаний разработанного датчика. Калибровка датчика влажности проводилась в температурном диапазоне от 0 до 65 оС. Влажность при температурах ниже нуля в использованной в исследованиях испытательной камере не задается. Для решения данной проблемы через одно из окон для ввода проб в камеру вводился шланг, подсоединенный к увлажнителю воздуха типа небулайзер, размещенному в лабораторной комнате при нормальных условиях. При необходимости задания некоторого значения относительной влажности воздуха в камере увлажнитель включался, затем по достижении требуемой величины с некоторым превышением выключался. Точное задание при этом было затруднительным. После установления равновесного состояния с определенными значениями температуры и относительной влажности производилось считывание показаний датчика.
После снятия калибровочных данных были произведены расчеты калибровочных кривых в форме полиномов четвертой степени. Необходимость использования столь высокой степени продиктована значительной нелинейностью полученных калибровочных кривых. Исследование влагочувствительности и измерение погрешностей определения влажности и температуры производилось по методике, аналогичной методике калибровки. Схема измерений приведена на рисунке А2 (Приложение А). Результаты измерений сравнивались с результатами калибровки датчика и погрешность определялась как разность показаний контрольного и исследуемого датчиков.