本發(fā)明涉及濕度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

濕度傳感器作為一類重要的傳感器，在軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制、醫(yī)療器械等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。石英晶體微天平(qcm)濕度傳感器是近二十年來備受關(guān)注的一類新型濕度傳感器；如圖1所示，qcm濕度傳感器由濕度敏感薄膜層、壓電晶片和金屬電極構(gòu)成，金屬電極設(shè)置在壓電晶片的兩面，濕度敏感材料設(shè)置在兩個金屬電極表面，qcm濕度傳感器的工作原理基于如下關(guān)系式，

其中f0為壓電晶片的固有基頻(單位為hz)，a為金屬電極面積(單位為cm²)，ρq、μq分別為壓電晶片的密度和剪切模量，ρl、μl分別為濕度敏感薄膜層的密度和阻尼。

沉積在金屬電極上的濕度敏感薄膜吸附水分子一方面引起敏感薄膜質(zhì)量增加，另一方面引起濕度敏感薄膜的阻尼增加，從而產(chǎn)生一個與吸附水分子量相關(guān)的頻率偏移，達到濕度檢測的目的。qcm濕度傳感器具有檢測精度高﹑響應(yīng)時間快﹑實時數(shù)字頻率輸出等優(yōu)勢。

現(xiàn)有qcm濕度傳感器在低濕度范圍內(nèi)(0-10％rh)檢測靈敏度通常不高，這是因為在這一濕度范圍內(nèi)空氣中水分子的含量很低，這直接導(dǎo)致了吸附到濕度敏感薄膜上的水分子數(shù)量也很少；為了增加qcm濕度傳感器在低濕度范圍的檢測靈敏度，業(yè)界人員已經(jīng)采用的增敏方法有：(1)采用具有納米結(jié)構(gòu)的濕敏材料以增大材料的比表面積；(2)采用復(fù)合濕敏材料以增強材料的親水特性；(3)采用大劑量的濕敏材料以增多水分子吸附點。但是，上述三種qcm濕度傳感器在低濕度范圍內(nèi)的增敏方法都是基于敏感材料吸附更多的水分子數(shù)目的前提下獲得的；而大量數(shù)目的水分子吸附會使得沉積在qcm濕度傳感器金屬電極上濕度敏感薄膜粘性大為增加，從而導(dǎo)致qcm濕度傳感器的輸出頻率出現(xiàn)異常波動、停振等異?，F(xiàn)象，傳感器的穩(wěn)定性大大下降，這對傳感器的檢測精度是極為不利的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬電極的qcm濕度傳感器，濕度敏感薄膜層吸附水分子后的質(zhì)量、阻尼和介電常數(shù)變化均會使得qcm濕度傳感器產(chǎn)生頻率響應(yīng)靈敏度，從而可以在少量吸附水分子的條件下達到高靈敏度檢測低濕度，同時輸出頻率波動小的高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器；同時公開了高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的制備方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器，包括壓電晶片、金屬電極和濕度敏感薄膜層；所述壓電晶片表面設(shè)有金屬電極，金屬電極表面設(shè)有濕度敏感薄膜層；所述金屬電極上設(shè)有至少一個孔洞。

進一步，所述孔洞尺寸小于金屬電極尺寸。

進一步，所述金屬電極材料為金或銀。

進一步，還包括金屬吸附層；所述金屬吸附層設(shè)于壓電晶片與金屬電極之間。

進一步，所述金屬吸附層的材料為鉻。

進一步，所述壓電晶片的材料為石英；所述壓電晶片為at切型。

進一步，所述壓電晶片的基礎(chǔ)諧振頻率為5-20mhz。

進一步，所述金屬電極為圓形或者長方形；金屬電極尺寸小于壓電晶片尺寸。

進一步，所述濕度敏感薄膜層為介質(zhì)濕度敏感材料；所述濕度敏感薄膜層通過氣噴、旋涂或滴涂的方法形成在金屬電極表面，部分敏感薄膜層填充在金屬電極孔洞里面。

本發(fā)明一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的制備方法，具有以下步驟：

s1：在壓電石英晶片上通過蒸鍍工藝形成金屬吸附層；

s2：在金屬吸附層上通過蒸鍍工藝形成金屬電極；

s3：通過光刻工藝和腐蝕工藝，在金屬電極和金屬吸附層形成孔洞結(jié)構(gòu)；

s4：用酒精和去離子水清洗，上述加工獲得的帶有金屬電極的壓電石英片，從而去除污染物，并干燥；

s5：濕度敏感薄膜層通過氣噴，或者旋涂，或者滴涂方法形成在金屬電極表面，并干燥。

本發(fā)明的工作原理：針對現(xiàn)有qcm濕度傳感器在低濕度范圍內(nèi)(0-10％rh)檢測靈敏度通常不高的缺點，通過光刻工藝和腐蝕工藝對qcm濕度傳感器的金屬電極進行修飾，形成帶一定數(shù)量孔洞的金屬電極，從而在qcm濕度傳感器的正反兩面金屬電極孔洞邊緣處形成邊緣電場，由于濕度敏感薄膜整個覆蓋在qcm濕度傳感器的金屬電極上面，部分濕度敏感薄膜填充在金屬電極孔洞里面，填充在金屬電極孔洞里面的濕度敏感薄膜可以與正反兩面金屬電極形成的邊緣電場發(fā)生電場耦合作用，產(chǎn)生一個等效電容cl。而現(xiàn)有qcm濕度傳感器的等效電路如圖3所示，圖中元件電阻(r)、電感(l)和電容(c)分別反映了qcm的機械損耗、慣性質(zhì)量及晶體彈性，電容(c0)反映qcm晶片金屬電極形成的固有電容。其中，qcm濕度傳感器的敏感薄膜層吸附水分子會qcm的慣性質(zhì)量(l參數(shù))和敏感薄膜阻尼(r參數(shù))增大，從而產(chǎn)生一個與吸附水分子量相關(guān)的頻率偏移；現(xiàn)有傳感器輸出頻率表達式為等效電容cl與現(xiàn)有qcm濕度傳感器的等效電路形成串聯(lián)連接，如圖4所示，本發(fā)明傳感器的輸出頻率表達式為與現(xiàn)有qcm濕度傳感器相比，本發(fā)明輸出頻率增大了；本發(fā)明qcm濕度傳感器通過引入了與濕度敏感薄膜介電常數(shù)相關(guān)的等效電容cl，相當(dāng)于對現(xiàn)有qcm濕度傳感器的輸出響應(yīng)靈敏度進行了一次放大。

這種情況下，qcm濕度傳感器吸附水分子后，其慣性質(zhì)量、敏感薄膜阻尼和介電常數(shù)均增大，即l參數(shù)、r參數(shù)和cl均增大。最終導(dǎo)致qcm濕度傳感器除了產(chǎn)生與qcm的慣性質(zhì)量(l參數(shù))和敏感薄膜阻尼(r參數(shù))的頻率偏移外，額外產(chǎn)生一個與濕度敏感薄膜介電常數(shù)相關(guān)的頻率偏移，最終達到增加傳感器靈敏度的目的。

由于沉積在金屬電極上的濕度敏感薄膜介電常數(shù)變化不會使得qcm傳感器的頻率穩(wěn)定性下降，因而這種靈敏度增加方法非常適合低濕度檢測領(lǐng)域，即在少量吸附水分子的條件下，在保留水分子吸附質(zhì)量增加引起的頻率頻率響應(yīng)靈敏度的前提下，通過引入濕度敏感薄膜介電常數(shù)變化帶來的另一頻率響應(yīng)靈敏度，從而達到高靈敏度高精度檢測低濕的目的。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所制得的qcm濕度傳感器的金屬電極具有孔洞結(jié)構(gòu)，濕度敏感薄膜層吸附水分子后的質(zhì)量、阻尼和介電常數(shù)變化均會使得qcm濕度傳感器產(chǎn)生頻率響應(yīng)靈敏度，從而可以在少量吸附水分子的條件下達到高靈敏度檢測低濕的目的。同時，濕度敏感薄膜層吸附水分子后的介電常數(shù)變化不會使得濕度傳感器的穩(wěn)定性下降，因而可以增強傳感器的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明所制得的qcm濕度傳感器具有成本低、濕度檢測范圍大(0.1-100％rh)、靈敏度高、響應(yīng)快、重復(fù)性好、制作工藝簡單，可以廣泛應(yīng)用于低濕度檢測和高精度濕度檢測領(lǐng)域。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是現(xiàn)有qcm濕度傳感器的主視圖。

圖2是現(xiàn)有qcm濕度傳感器的剖面圖。

圖3是現(xiàn)有qcm濕度傳感器的等效電路圖。

圖4是本發(fā)明一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的等效電路圖。

圖5是本發(fā)明一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的俯視圖。

圖6是實施例一中高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的剖面圖。

圖7是實施例二中高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的剖面圖。

圖中標(biāo)記：1為壓電晶片，2為金屬電極，3為濕度敏感薄膜層，4為孔洞，5為金屬吸附層。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

如圖1和圖2所示，現(xiàn)有qcm濕度傳感器，包括壓電晶片1、金屬電極2和濕度敏感薄膜層3；所述壓電晶片1表面設(shè)有金屬電極2，金屬電極2表面設(shè)有濕度敏感薄膜層3。

實施例一：

如圖5和圖6所示，本發(fā)明一種高穩(wěn)定性低濕度測量的qcm濕度傳感器，包括壓電晶片1、金屬電極2和濕度敏感薄膜層3；所述壓電晶片1表面設(shè)有金屬電極2，金屬電極2表面設(shè)有濕度敏感薄膜層3；所述金屬電極2上設(shè)有至少一個孔洞4；所述孔洞4尺寸小于金屬電極2尺寸；所述金屬電極2材料為金；還包括金屬吸附層5；所述金屬吸附層5設(shè)于壓電晶片1與金屬電極2之間；所述金屬吸附層5的材料為鉻。

實施例二：

與實施例一相比，本實施例中所述金屬電極2材料為銀或鋁，沒有金屬吸附層5。

實施例三：

與其他實施例相比，本實施例還公開了：所述壓電晶片1的材料為石英；所述壓電晶片1為at切型；所述壓電晶片1的基礎(chǔ)諧振頻率為5-20mhz；所述金屬電極2為圓形或者長方形；金屬電極2尺寸小于壓電晶片1尺寸。

實施例四：

與其他實施例相比，本實施例還公開了：所述濕度敏感薄膜層3為介質(zhì)濕度敏感材料；所述濕度敏感薄膜層3通過氣噴、旋涂或滴涂的方法形成在金屬電極2表面，部分濕度敏感薄膜層3填充在金屬電極2的孔洞4里面。

實施例五：

本實施例公開了一種高穩(wěn)定性低濕度檢測的qcm濕度傳感器的制備方法，具有以下步驟：

s1：在壓電石英晶片上通過蒸鍍工藝形成金屬吸附層；

s2：在金屬吸附層上通過蒸鍍工藝形成金屬電極；

s3：通過光刻工藝和腐蝕工藝，在金屬電極和金屬吸附層形成孔洞結(jié)構(gòu)；

s4：用酒精和去離子水清洗，上述加工獲得的帶有金屬電極的壓電石英片，從而去除污染物，并干燥；

s5：濕度敏感薄膜層通過氣噴，或者旋涂，或者滴涂方法形成在金屬電極表面，并干燥。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。