一种QCM湿度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种QCM湿度传感器
本技术涉及一种湿度传感器，特别是一种QCM湿度传感器。
技术介绍
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)，ρq、μq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。
技术实现思路
本技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有双金属电极层结构，同时对湿度敏感薄膜层的质量变化和介电常数变化敏感，湿度敏感薄膜层吸附水分子后的质量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QCM湿度传感器。本技术采用的技术方案如下：本技术一种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，所述金属电极层为金电极或者银电极。进一步，所述第二金属电极层为叉指状电极结构。进一步，所述叉指状电极分别连接引脚三和引脚四；所述第一金属电极层包括金属电极一和金属电极二；金属电极二设置于压电晶片和绝缘层之间，金属电极二连接引脚二；金属电极一连接引脚一，与压电晶片接触。进一步，所述湿度敏感薄膜层为吸水性介质薄膜层，介电常数小于5。进一步，所述湿度敏感薄膜层形成在第二金属电极层表面，部分敏感薄膜层填充在第二金属电极层的电极间隙里面。本技术的工作原理如下：传感器位于检测环境中，湿度敏感薄膜层吸附环境中的水分子，从而引起湿度敏感薄膜层发生两方面变化：(1)湿度敏感薄膜层吸附水分子而使得其质量增加，根据质量-频率关系式可知QCM湿度传感器会产生一个与吸附水分子质量相关的频率偏移Δfm；(2)湿度敏感薄膜层由于吸附水分子而使得其介电常数变大，这导致引脚三和引脚四之间形成的叉指状湿敏电容CX增大，从而使得传感器会产生一个与敏感薄膜层介电常数相关的频率偏移Δfε；由于引入了与敏感薄膜层介电常数相关的频率偏移Δfε，这使得传感器在低湿度范围内(<10％RH)检测灵敏度可以得到大幅改善。同时，由于湿度敏感薄膜层的介电常数变化通常不会使得QCM传感器的频率稳定性下降，因而可以非常容易的实现高灵敏度高精度检测低湿的目的。综上所述，由于采用了上述技术方案，本技术的有益效果是：1、本技术所制得的QCM湿度传感器引入了双金属电极层的结构，同时对湿度敏感薄膜层的质量变化和介电常数变化敏感，湿度敏感薄膜层吸附水分子后的质量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、本技术所制得的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是本技术一种QCM湿度传感器的结构示意图。图2是本技术一种QCM湿度传感器的俯视图。图3是本技术一种QCM湿度传感器的等效电路图。图中标记：1为压电晶片，2为绝缘层，3为金属电极层，31为第一金属电极层，32为第二金属电极层，4为湿度敏感薄膜层。具体实施方式下面结合附图，对本技术作详细的说明。为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。如图1所示，本技术一种QCM湿度传感器，包括压电晶片1、绝缘层2、金属电极层3和湿度敏感薄膜层4；所述金属电极层3包括第一金属电极层31和第二金属电极层32；所述第一金属电极层31包括两个电极，分别设置于压电晶片1两个面上，其中一个电极表面设有绝缘层2；所述绝缘层2表面上设有第二金属电极层32，第二金属电极层32表面设有湿度敏感薄膜层4。所述压电晶片1为压电石英晶片，为AT切型；所述压电石英晶片的基频为5～20MHz。所述金属电极层3材料为金或者银。如图2所示，所述第二金属电极层32为叉指状电极结构；所述叉指状电极分别连接引脚三323和引脚四324；所述第一金属电极层31包括金属电极一和金属电极二；金属电极二设置于压电晶片1和绝缘层2之间，金属电极二连接引脚二312；金属电极一连接引脚一311，与压电晶片1接触；所述湿度敏感薄膜层4为吸水性介质材料，介电常数小于5；所述湿度敏感薄膜层4填充在第二金属电极层32的电极间隙里面。如图3所示，当引脚312二与引脚三323连接，引脚一311和引脚四324作为传感器的两个输出端连接外界起振电路的两个引脚；在这种引脚配置工作情况下，QCM湿度传感器和叉指状湿敏电容共用湿度敏感薄膜层，因此该湿度传感器器件可以看作一个QCM湿度传感器和一个叉指状湿敏电容串联结构形式，其等效电路图如图3所示；在QCM湿度传感器的等效电路图中，元件电阻R、电感L和电容C分别反映了QCM的机械损耗、惯性质量及晶体弹性，电容C0反映QCM的固有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种QCM湿度传感器，其特征在于：包括压电晶片（1）、绝缘层（2）、金属电极层（3）和湿度敏感薄膜层（4）；所述金属电极层（3）包括第一金属电极层（31）和第二金属电极层（32）；所述第一金属电极层（31）包括两个电极，分别设置于压电晶片（1）两个面上，其中一个电极表面设有绝缘层（2）；所述绝缘层（2）表面上设有第二金属电极层（32），第二金属电极层（32）表面设有湿度敏感薄膜层（4）。

【技术特征摘要】
1.一种QCM湿度传感器，其特征在于：包括压电晶片（1）、绝缘层（2）、金属电极层（3）和湿度敏感薄膜层（4）；所述金属电极层（3）包括第一金属电极层（31）和第二金属电极层（32）；所述第一金属电极层（31）包括两个电极，分别设置于压电晶片（1）两个面上，其中一个电极表面设有绝缘层（2）；所述绝缘层（2）表面上设有第二金属电极层（32），第二金属电极层（32）表面设有湿度敏感薄膜层（4）。2.根据权利要求1所述的QCM湿度传感器，其特征在于：所述压电晶片（1）为压电石英晶片，为AT切型。3.根据权利要求2所述的QCM湿度传感器，其特征在于：所述压电石英晶片的基频为5～20MHz。4.根据权利要求1所述的QCM湿度传感器，其特征在于：所述金属电极层（3）为金电极或者银电极。...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚尧，李蠡，魏华，黄铫，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：新型
国别省市：四川,51