습도와 CO₂ 농도의 실시간 동시감지를 위한 무전원 SAW 기반 집적 센서 개발

Development of Battery-free SAW Integrated Microsensor for Real Time Simultaneous Measurement of Humidity and CO₂ component

상대습도와 CO₂기체의 실시간 동시 감지가 가능한 표면탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave) 기반의 무선, 무전원 센서가 개발 되었다. 본 소자는 41° YX LiNbO3 기판 위에 만들어졌으며, 반사 지연선의 구조로 이루어져 있다. 본 논문의 반사 지연선은 양방향 감지가 가능한 Interdigital transducer(IDT)와 10개의 리플렉터(reflector)로 이루어져 있 다. 감지 필름은 Teflon AF 2400과 친수성의 SiO₂층이 이용 되었으며, 이는 각각 CO₂와 상대 습도의 감지를 담당한다. 소자의 제작에 앞서 최적의 소자 설계 조건들을 도출하기 위해 Couple of mode(COM) 모델링이 실시 되었다. 시뮬레이션 결과를 반영하여 소자의 제작이 진행 되었으며, 네트워크 분석기를 이용하여 무선 측정이 실시 되었다. 시간 영역에서 측정된 반사계수 S11은 높은 신호 대 잡음 비, 작은 신호 감쇠, 적은 허위 피크를 보였다. 제작된 소자는 각각 75~375ppm의 CO₂ 범위와 20~80%의 상대 습도 범위에서 측정되었으며, 각각 2°/ppm의 CO₂ 민감도, 7.45°/%의 상대습도에 대한 민감도를 보였고, 좋은 선형성과 반복성을 보였다. 또한 민감도 측정 과정에서 온도와 습도의 보상 과정을 거쳐 더욱 정확한 민감도를 갖도록 하였다.

A 440MHz wireless and passive surface acoustic wave (SAW) based chemical sensor was developed on a 41° YX LiNbO3 piezoelectric substrate for simultaneous measurement of CO₂ gas and relative humidity (RH) using a reflective delay line pattern as the sensor element. The reflective delay line is composed of an interdigital transducer (IDT) and several shorted grating reflectors. A Teflon AF 2400 and a hydrophilic SiO₂ layer were used as CO₂ and water vapor sensitive films. The coupling of mode (COM) modeling was conducted to determine optimal device parameters prior to fabrication. According to simulation results, the device was fabricated and then wirelessly measured using the network analyzer. The measured reflective coefficient S11 in the time domain showed high signal/noise (S/N) ratio, small signal attenuation, and few spurious peaks. In the CO₂ and humidity testing, high sensitivity (~2°/ppm for CO₂ detection and 7.45°/%RH for humidity sensing), good linearity and repeatability were observed in the CO₂ concentration ranges of 75~375ppm and humidity levels of 20~80%RH. Temperature and humidity compensations were also investigated during the sensitivity evaluation process.