研究人员开发基于共面集成硅酸镓镧温度、压力和湿度SAW传感器

机械系统经常会遇到复杂的工作环境，例如森林火灾、采矿冶金、矿山环境、工业管道以及飞机机械系统等。大部分现有的传感器技术都是为单一参数测量而设计，但在上述应用环境中，小体积、高性能、单片集成的多参数传感器显然是更有前景的解决方案。

例如，业界已经开发了用于测量温度和压力、温度和湿度、温度和应变、温湿度和压力（TPH）、温湿度和磁性的传感器。然而，这些基于LC互感的TPH传感器存在集成度低和尺寸大等问题。据麦姆斯咨询介绍，由于声表面波（SAW）传感器具有结构简单、体积小、稳定性好以及多参数集成的可行性，中北大学谭秋林教授课题组开发了一种基于共面集成硅酸镓镧（LGS）压电晶体的温度、压力和湿度SAW传感器。

二维纳米材料氧化石墨（Go）膜具有含氧官能团，包括环氧基、羟基、羧基、酯基等活性基团。二硫化钼（MoS2）具有Mo-S原子垂直堆叠的纳米结构，层间剪切强度低（主要与弱范德华力有关），在高负载和真空条件下具有良好的耐热性，恢复/响应时间慢且灵敏度低。不过，其表面缺乏官能团，使得功能化困难。MXene是一种新兴的二维导电材料，具有优异的导电性和官能团，可以稳定地连接纤维基材。

然而，其在水性介质中的稳定性较差，导致吸水性较差。MoS2可以补偿MXene堆叠过程中形成的空隙和缺陷，而Go和MXene是具有大表面积的二维材料，因此在形成复合膜时总有效面积不会减少。在Go薄膜表面生长MoS2膜，可以有效防止MoS2的积累和聚集。先前的分析表明，纳米复合材料可以有效地避免单一材料中的缺陷，将Go、MoS2和MXene结合成复合结构，可以大大提高膜的亲水性。因此，研究人员选择了MXene@MoS2@Go（MMG）复合材料作为湿度敏感材料。

集成TPH传感器结构

研究人员开发的这种TPH传感器具有温度、压力和湿度传感单元的共面结构。其基板是尺寸为20 mm × 20 mm × 0.5 mm和20 mm × 20 mm × 0.3 mm的LGS晶圆 ，切割角度为（0°、138.5°、0°）。压力传感单元位于密封腔体的顶面，其直径和高度分别为10 mm和0.1 mm。其MMG复合材料作为敏感材料应用于湿度传感单元。

SAW传感器的结构设计分析

LGS压电晶体是一种压电材料，它具有高温稳定性，没有热电或铁电特性，使其成为具有高温稳定性的压电材料。因此，研究人员选择LGS作为SAW传感器的压电基板。采用基于密封腔结构的压力传感单元，设计了该TPH SAW传感器。研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对多层MMG复合材料进行了表征。

MMG复合材料的制造过程

a）集成TPH传感器的制造过程；b）集成TPH传感器封装结构

实验结果表明，这种TPH传感器可以在25~700 °C、0~700 kPa和11%~98% RH的环境中稳定工作。此外，研究人员还开发了一种多参数解耦算法以解决多参数耦合问题，其测量值和解调值之间的最大误差为5.5%。由此获得的TPH SAW传感器可以用于广泛应用中复杂环境的多参数同步监测。

 

        审核编辑：彭菁