研究人員開發(fā)基于共面集成硅酸鎵鑭溫度、壓力和濕度SAW傳感器

機械系統(tǒng)經(jīng)常會遇到復雜的工作環(huán)境，例如森林火災、采礦冶金、礦山環(huán)境、工業(yè)管道以及飛機機械系統(tǒng)等。大部分現(xiàn)有的傳感器技術都是為單一參數(shù)測量而設計，但在上述應用環(huán)境中，小體積、高性能、單片集成的多參數(shù)傳感器顯然是更有前景的解決方案。

例如，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了用于測量溫度和壓力、溫度和濕度、溫度和應變、溫濕度和壓力（TPH）、溫濕度和磁性的傳感器。然而，這些基于LC互感的TPH傳感器存在集成度低和尺寸大等問題。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，由于聲表面波（SAW）傳感器具有結構簡單、體積小、穩(wěn)定性好以及多參數(shù)集成的可行性，中北大學譚秋林教授課題組開發(fā)了一種基于共面集成硅酸鎵鑭（LGS）壓電晶體的溫度、壓力和濕度SAW傳感器。

二維納米材料氧化石墨（Go）膜具有含氧官能團，包括環(huán)氧基、羥基、羧基、酯基等活性基團。二硫化鉬（MoS2）具有Mo-S原子垂直堆疊的納米結構，層間剪切強度低（主要與弱范德華力有關），在高負載和真空條件下具有良好的耐熱性，恢復/響應時間慢且靈敏度低。不過，其表面缺乏官能團，使得功能化困難。MXene是一種新興的二維導電材料，具有優(yōu)異的導電性和官能團，可以穩(wěn)定地連接纖維基材。

然而，其在水性介質中的穩(wěn)定性較差，導致吸水性較差。MoS2可以補償MXene堆疊過程中形成的空隙和缺陷，而Go和MXene是具有大表面積的二維材料，因此在形成復合膜時總有效面積不會減少。在Go薄膜表面生長MoS2膜，可以有效防止MoS2的積累和聚集。先前的分析表明，納米復合材料可以有效地避免單一材料中的缺陷，將Go、MoS2和MXene結合成復合結構，可以大大提高膜的親水性。因此，研究人員選擇了MXene@MoS2@Go（MMG）復合材料作為濕度敏感材料。

集成TPH傳感器結構

研究人員開發(fā)的這種TPH傳感器具有溫度、壓力和濕度傳感單元的共面結構。其基板是尺寸為20?mm × 20?mm × 0.5?mm和20?mm × 20?mm × 0.3?mm的LGS晶圓?，切割角度為（0°、138.5°、0°）。壓力傳感單元位于密封腔體的頂面，其直徑和高度分別為10?mm和0.1?mm。其MMG復合材料作為敏感材料應用于濕度傳感單元。

SAW傳感器的結構設計分析

LGS壓電晶體是一種壓電材料，它具有高溫穩(wěn)定性，沒有熱電或鐵電特性，使其成為具有高溫穩(wěn)定性的壓電材料。因此，研究人員選擇LGS作為SAW傳感器的壓電基板。采用基于密封腔結構的壓力傳感單元，設計了該TPH SAW傳感器。研究人員通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）對多層MMG復合材料進行了表征。

MMG復合材料的制造過程

a）集成TPH傳感器的制造過程；b）集成TPH傳感器封裝結構

實驗結果表明，這種TPH傳感器可以在25~700?°C、0~700 kPa和11%~98% RH的環(huán)境中穩(wěn)定工作。此外，研究人員還開發(fā)了一種多參數(shù)解耦算法以解決多參數(shù)耦合問題，其測量值和解調值之間的最大誤差為5.5%。由此獲得的TPH SAW傳感器可以用于廣泛應用中復雜環(huán)境的多參數(shù)同步監(jiān)測。

審核編輯：彭菁