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Dual-load Hybrid Detection of Water Content Using Electromagnetic and Surface Acoustic Wave Sensors

Lu, Donghang :
Dual-load Hybrid Detection of Water Content Using Electromagnetic and Surface Acoustic Wave Sensors.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dual-load Hybrid Detection of Water Content Using Electromagnetic and Surface Acoustic Wave Sensors
Language: English
Abstract:

This work focuses on water content detection both in materials and in gases, i.e., measurements of moisture and humidity. To detect the moisture, a cavity perturbation method (CPM) is introduced to extract the relationship between permittivity and water content in material under test (MUT), which, in this application is tobacco at a single frequency. The obtained information is used as pre-knowledge for a mass flow sensor design in tobacco production. The mass flow sensor is an open cylindrical resonator that consists of two circular waveguides with different diameters. An on-sight test of the mass flow sensor is performed, and the measured weights are within a 10% discrepancy compared to the supplied weights. For the humidity measurement, a material named polyvinyl alcohol (PVA) is employed as a sensitive layer. The PVA film involves two mechanisms for humidity sensing, which are variations of electrical loading and mechanical loading with relative humidity (RH). To apply the electrical loading property, the PVA film is characterized by an interdigital capacitor (IDC) in a wide frequency range at different RHs, and the results are used to create a comprehensive model of the PVA film for computer simulation tools to predict the performance of the sensor. A wireless humidity sensor is designed to verify the PVA film model, and a good agreement between the simulation and measurement results proves the accuracy of the model. To utilize the mechanical loading property, the PVA film is loaded on surface acoustic wave (SAW) resonators. A wet chemical method of patterning the PVA film is found, and the influence of the PVA film thickness is investigated. With different patterns and thicknesses of the PVA film, humidity sensors can achieve various performances in terms of operation range, sensitivity, and quality factor. To apply both, electrical and mechanical loading properties of the PVA film for humidity sensing at the same time, a novel dual-load SAW resonator is introduced by using additional IDCs as reflectors with the PVA film loaded on top. The humidity sensor based on this novel hybrid structure extends its operating range, and shows better sensitivity and quality factor with different sensing mechanisms within certain RH ranges. A figure of merit (FoM) is defined to evaluate the sensitivity and quality factor of the sensor at the same time, and the sensing mechanism with better FoM can be selected for humidity sensing in a defined RH range.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Bestimmung des Wassergehaltes in einem flüssigen oder festen Medium sowie des Feuchtigkeitsgehaltes in einem gasförmigen Medium ist eine zentrale Aufgabe in vielen industriellen Prozessen. Die Verarbeitung von Materialien erfolgt häufig bei einer fest vorgeschriebenen Prozessfeuchte um die Qualität des Materials nicht zu beeinflussen oder aber eine bestimmte Reaktion kann nur unter einem fest vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft ablaufen In dieser Arbeit werden Methoden zur Erkennung des Wasser- bzw. Feuchtegehaltes in festen sowie gasförmigen Medien untersucht und darauf basierend Sensoren zur Messung dieser entwickelt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Eignung, sowie der Dimensionierung eines mikrowellenbasierten Sensors für die Tabakindustrie. Für einen Nachweis der Feuchtigkeit im Rohtabak wurde das Störkörper- Messverfahren angewendet, um die Beziehung zwischen der Permittivität und dem Wassergehalt des Messgutes bei der Arbeitsfrequenz zu extrahieren. Basierend auf der erhaltenen Information wurde ein Sensor zur Bestimmung des Massenstromes in der Tabakproduktion entwickelt. Der Massenstromsensor besteht aus einem offenen zylindrischen Resonator, der aus zwei kreisförmigen Hohlleitern mit unterschiedlichen Durchmessern besteht. Im Versuchsstand der Riedel Filtertechnik GmbH konnte anhand realitätsnaher Tests des Massenstromsensors Abweichungen von weniger als 10% im Vergleich zum Istwert erreicht werden. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Messung der Luftfeuchtigkeit. Als sensitives Material wurde Polyvinylalkohol (PVA) ausgewählt, da PVA zwei Mechanismen für die Messung der Feuchtigkeit, die Änderung der elektrischen Beladung und der mechanischen Beladung eines SAW Resonators in Abhängigkeit der Feuchtigkeit besitzt. Die Änderung der dielektrischen Eigenschaften als Funktion der Luftfeuchtigkeit des PVA-Films wird mit einem Interdigitalkondensator (IDC) in einem breiten Frequenzband bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten (RHs) gemessen. Mit Hilfe der Ergebnisse konnte ein umfassendes Modell des PVA-Films für die Computersimulation zur Vorhersage der Eigenschaften von Sensoren erstellt werden. Ein drahtloser Feuchtigkeitsensor wurde entworfen, um das Modell für den PVA-Film zu verifizieren. Die Genauigkeit des Modells wird durch eine gute Übereinstimmung zwischen der Simulation und den Messergebnissen bestätigt. Um die Änderung der mechanischen Beladung zu nutzen, wurde der PVA-Film auf Resonatoren der akustischen Oberflächenwellen (SAW) geladen. Ein nass-chemisches Verfahren für die Strukturierung des PVA-Films wurde entwickelt und der Einfluss der Lagendicke des PVA-Films untersucht. Mit verschiedenen Strukturen und Lagendicken des PVA-Films ist es möglich, Feuchtigkeitssensoren für verschiedene Betriebsbereiche, Empfindlichkeiten und Qualitätsfaktoren zu erzielen. Um beide Eigenschaften von PVA, die elektrischen Beladung und mechanicshen Beladung gleichzeitig anwenden zu können, wurde ein neuer SAW-Resonator entwickelt, der IDCs als Kapazitäten und gleichzeitig als Reflektoren besitzt. Der feuchtigkeitssensor erweitert damit seinen Betriebsbereich und zeigt eine bessere Empfindlichkeit und Qualitätsfaktor in einen bestimmten RH-Bereich. Es wurde ein Qualitätsfaktor (FoM) definiert, der gleichzeitig die Empfindlichkeiten und die Gütefaktoren des Sensors auswertet. Die Messungsmechanismen mit besseren FoM können dann für die RH-Messung in einem definierten RH-Bereich ausgewählt werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 02 Dec 2016 15:03
Last Modified: 02 Dec 2016 15:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58309
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf and Kupnik, Prof. Dr. Mario
Refereed: 27 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5830
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