[发明专利]一种QCM湿度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种QCM湿度传感器，其特征在于：包括压电晶片、绝缘层、金属电极层和湿度敏感薄膜层；所述金属电极层包括第一金属电极层和第二金属电极层；所述第一金属电极层包括两个电极，分别设置于压电晶片两个面上，其中一个电极表面设有绝缘层；所述绝缘层表面上设有第二金属电极层，第二金属电极层表面设有湿度敏感薄膜层。本发明QCM湿度传感器具有双金属电极层的结构，能够达到高灵敏度检测低湿，同时能够增强传感器的稳定性，并且成本低、湿度检测范围大、灵敏度高、响应快、重复性好、制作工艺简单，可以广泛应用于低湿度检测和高精度湿度检测领域。

技术领域

本发明涉及湿度传感器，尤其是一种QCM湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器作为一类重要的传感器，在气象、农业、工业控制等领域有着十分广泛的应用。随着科技的不断发展，人们对高性能湿度传感器的需求不断增加，传统的毛发湿度传感器和干湿球湿度传感器早已无法满足业界的要求，因而出现了多种类型的电子式湿度传感器。上个世纪60年代，出现了一种石英晶体微天平(QCM)式湿度传感器。

QCM湿度传感器是由石英晶体谐振器与修饰在谐振器表面的湿度敏感薄膜层组成；沉积在金属电极上的湿度敏感薄膜吸附水分子引起敏感薄膜质量增加(Δm)，从而产生一个与吸附水分子量相关的频率偏移(Δfm)由于水分子吸附量与环境中待测湿度有关，通过谐振频率偏移量的测量，即可得到环境中湿度；QCM湿度传感器的工作原理基于如下关系式：其中f₀为压电晶片的固有基频(单位为Hz)，A为金属电极面积(单位为cm²)，ρ_q、μ_q分别为压电晶片的密度和剪切模量。由于QCM传感器具有很高的灵敏度、较低成本低廉，而且测试装置简单、易于实现现场连续检测等众多优点，使得QCM湿度传感器广泛应用于湿度检测领域。

现有QCM湿度传感器在低湿度范围内(10％RH)检测灵敏度通常不高，这是因为在这一湿度范围内空气中水分子的含量很低，这直接导致了吸附到湿度敏感薄膜层上的水分子数量也很少，因而QCM湿度传感器的频率偏移量也较小。为了增加QCM湿度传感器在低湿度范围的检测灵敏度，业界人员已经采用的增敏方法有：(1)采用具有纳米结构的湿敏材料以增大材料的比表面积；(2)采用复合湿敏材料以增强材料的亲水特性；(3)采用大剂量的湿敏材料以增多水分子吸附点。但是，上述三种QCM湿度传感器在低湿度范围内的增敏方法都是基于湿度敏感材料吸附更多的水分子数目的前提下获得的。而大量数目的水分子吸附会使得沉积在QCM湿度传感器金属电极上湿度敏感薄膜粘性大为增加，从而导致QCM湿度传感器的输出频率出现异常波动、停振等异常现象，传感器的稳定性大大下降，这对传感器的检测精度是极为不利的。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，通过对现有QCM湿度传感器的结构进行改进，提出一种双金属电极层结构，在QCM湿度传感器的任一金属电极表面溅射一层二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜表面通过蒸发金属工艺、光刻工艺和刻蚀工艺形成叉指状电极，在叉指状电极表面通过气喷、旋涂、滴涂等方法沉积一层吸水性介质湿度敏感薄膜；制得QCM湿度传感器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一种QCM湿度传感器，包括压电晶片、绝缘层、金属电极层和湿度敏感薄膜层；所述金属电极层包括第一金属电极层和第二金属电极层；所述第一金属电极层包括两个电极，分别设置于压电晶片两个面上，其中一个电极表面设有绝缘层；所述绝缘层表面上设有第二金属电极层，第二金属电极层表面设有湿度敏感薄膜层。

进一步，所述压电晶片为压电石英晶片，为AT切型。

进一步，所述压电石英晶片的基频为5～20MHz。

进一步，所述金属电极层材料为金或者银。

进一步，所述第二金属电极层为叉指状电极结构。