Publication

Biodegradable materials as sensitive coatings for humidity sensing in S-band microwave frequencies

Résumé

Worldwide, electronic waste represents the fastest-growing stream of waste. With an increasing number of connected devices, passive and eco-friendly environmental sensing solutions need to be developed. Wireless passive devices for RFID and sensing exist, however, most of them rely on non-biodegradable materials. Willing to produce entirely green radio-frequency (RF) resonators on a paper substrate, we identify potential biodegradable materials to be used as encapsulation and humidity sensing layers. Resonator encapsulation is mandatory to prevent humidity interaction with the transducer while a sensing layer above the resonator enables a good response to humidity. In this work, the radio-frequency behavior of these materials was characterized when implemented on a 3.3 GHz resonating microstrip structure made of copper on FR4 substrate. The response in resonance frequency while varying the relative humidity (RH) from 20% to 80% was monitored. Beeswax-coated resonators exhibited no change in resonance frequency when exposed to humidity and therefore provided excellent encapsulation properties. 10 μm-thick layers of psyllium, konjac and egg-albumin displayed suitable sensing behavior with suitable frequency shifts above 100 MHz from 20% to 80% RH. Konjac and psyllium showed the best compatibility when coated on the beeswax encapsulant, exhibiting reversibility and low hysteresis when exposed to humidity variations.

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Hygromètre
Un hygromètre est un appareil qui sert à mesurer l'humidité de l'air. Suivant le type, il mesure soit l'humidité relative de l'air, ou degré hygrométrique, soit son humidité absolue, soit d'autres valeurs (par exemple, le point de rosée) qui permettent de calculer les deux précédentes. La mesure de l'humidité relative est exprimée en %, avec une plage de mesure de 0 à 100 %. La mesure de l'humidité absolue s’exprime en geau/m3air humide ; on la trouve parfois aussi exprimée en geau/kgair sec, unités qui, au sens strict, s’appliquent au rapport de mélange.
Hygrométrie
vignette|Diagramme de l'air humide à 1013,25 hPa. L’hygrométrie est la science qui a pour objet la mesure de la quantité de vapeur d'eau contenue de l'air humide ; elle ne prend pas en compte l'eau présente sous forme liquide ou solide. L'air humide est un mélange, en proportion variable, d'air sec et de vapeur d'eau. L’hygrométrie est étudiée notamment par les météorologues, thermiciens et ingénieurs du génie des procédés. Il s'agit d'un cas particulier de la psychrométrie qui étudie plus généralement les mélanges gaz-vapeurs de deux espèces différentes.
Psychrométrie
La psychrométrie est le domaine scientifique concernant la détermination des caractéristiques physiques et thermodynamiques d'un mélange gaz-vapeur correspondant à deux espèces différentes. Dans ce couple gaz-vapeur, le gaz est considéré comme incondensable dans les conditions du domaine d'application. L'hygrométrie est le cas particulier du mélange air-vapeur d'eau. « Psychro » vient du grec ψυχρός, un adjectif qui signifie « être froid », sensation liée à l'enthalpie de vaporisation : l'évaporation consomme de l'énergie de vaporisation et provoque donc une sensation de froid.
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