[实用新型]一种高稳定性低湿度检测的QCM湿度传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种湿度传感器，特别是一种高稳定性低湿度检测的QCM湿度传感器。

背景技术

湿度传感器作为一类重要的传感器，在军事、气象、农业、工业控制、医疗器械等许多领域有着广泛的应用。石英晶体微天平(QCM)湿度传感器是近二十年来备受关注的一类新型湿度传感器，QCM湿度传感器由湿度敏感薄膜层、压电晶片和金属电极构成，金属电极设置在压电晶片的两面，湿度敏感材料设置在两个金属电极表面，如图1所示；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，ρ_L、μ_L分别为湿度敏感薄膜层的密度和阻尼。

沉积在金属电极上的湿度敏感薄膜吸附水分子一方面引起敏感薄膜质量增加，另一方面引起湿度敏感薄膜的阻尼增加，从而产生一个与吸附水分子量相关的频率偏移，达到湿度检测的目的。QCM湿度传感器具有检测精度高﹑响应时间快﹑实时数字频率输出等优势。

现有QCM湿度传感器在低湿度范围内(0-10％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上的水分子数量也很少；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。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有高稳定性、宽湿度量程测量能力的湿度传感器敏感元件的QCM湿度传感器，其电极为具有孔洞结构的金属电极，湿度敏感薄膜层吸附水分子后的质量、阻尼和介电常数变化均会使得QCM湿度传感器产生频率响应灵敏度，从而可以在少量吸附水分子的条件下达到高灵敏度检测低湿度，且增强传感器的稳定性。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型一种高稳定性低湿度检测的QCM湿度传感器，包括压电晶片、金属电极和湿度敏感薄膜层；所述压电晶片表面设有金属电极，金属电极表面设有湿度敏感薄膜层；所述金属电极上设有至少一个孔洞。

进一步优选，所述孔洞尺寸小于金属电极尺寸。

进一步优选，所述金属电极采用金电极。

进一步优选，还包括金属吸附层；所述金属吸附层设于压电晶片与金属电极之间。

进一步优选，所述金属吸附层为铬吸附层。

进一步优选，所述压电晶片采用压电石英晶片；所述压电晶片为AT切型。

进一步优选，所述压电晶片的基础谐振频率为5-20MHz。

进一步优选，所述金属电极为圆形或者长方形；金属电极尺寸小于压电晶片尺寸。

进一步优选，所述湿度敏感薄膜层为介质湿度敏感薄膜层。

进一步优选，所述金属电极上的孔洞中填充有湿度敏感薄膜层。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本发明所制得的QCM湿度传感器的金属电极具有孔洞结构，湿度敏感薄膜层吸附水分子后的质量、阻尼和介电常数变化均会使得QCM湿度传感器产生频率响应灵敏度，从而可以在少量吸附水分子的条件下达到高灵敏度检测低湿的目的；同时，湿度敏感薄膜层吸附水分子后的介电常数变化不会使得湿度传感器的稳定性下降，因而可以增强传感器的稳定性。

2、本发明所制得的QCM湿度传感器具有成本低、湿度检测范围大(0.1-100％RH)、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。

附图说明

图1是现有QCM湿度传感器的主视图。

图2是现有QCM湿度传感器的剖面图。

图3是本实用新型一种高稳定性低湿度检测的QCM湿度传感器的俯视图。

图4是本实用新型一种高稳定性低湿度检测的QCM湿度传感器的剖面图。