一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，包括QCM换能器和其电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。制备方法的具体步骤是清洗使QCM换能器，用乙醇/水混合溶剂、1.5wt％的浓硫酸与稻秆粉末在反应釜中混合，在180℃搅拌3小时，然后洗涤、干燥得到木质素；然后将木质素在超声的帮助下均匀的分散在乙醇中得到均匀的敏感材料分散液；然后涂覆在石英晶体微天平的电极表面，干燥6

【技术实现步骤摘要】
一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法


[0001]本专利技术属于湿度传感器
，更为具体地讲，涉及一种基于石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)的湿度传感器(QCM湿度传感器)及制备方法。

技术介绍

[0002]有效监测和控制湿度水平是航空航天、发电和电力转换、仓库存储、工农业生产以及其他领域正常生产的前提。因此，人们对湿度传感器提出了更高的要求。这使得湿度传感器成为现在的一个研究热点，世界各国也纷纷参与到湿度传感器的研究中，主要的研究方向就是开发新型的湿度敏感元件。
[0003]石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一种新型的质量型换能器，具有操作简单、灵敏度高、成本低廉、检测精度可以达到纳克量级等优点，正成为气湿敏传感器的研究热点。
[0004]QCM在作为气湿敏传感器时，主要是利用其电极表面的湿敏薄膜吸附气体分子引起的质量变化，进而转化为QCM的谐振频率变化进行湿度测量。谐振频率变化可以用以下的公式进行计算：
[0005][0006]其中，Δm，Δf分别代表质量变化(ng)和频率变化(Hz)；f0和A代表QCM的基频(Hz)和有效面积(cm2)；ρ
q
和μ
q
分别代表石英晶体的密度(ρ
q
＝2.648g.cm
‑3)和弹性模量(μ
q
＝2.947*10
11
g.cm
‑1.s
‑2)。
[0007]现在用作QCM湿度传感器的湿敏材料包括各种金属氧化物，如ZnO、TiO2等，碳材料，如氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯等，聚合物，如聚乙烯醇、聚乙烯酰胺、纤维素等，以及有序硅基介孔材料SBA
‑
15、金属有机框架等等。但是我们发现这些湿敏材料要么价格高昂，要么对环境污染很大，要么对人体有害，并且存在灵敏度低，湿滞大，响应时间慢等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，以使湿敏材料具有低价格、绿色无污染、可再生、可降解、对人体无害的特点，并且具有制备方法简单、灵敏度高、响应时间快、重复性稳定性好等优势。
[0009]为实现上述专利技术目的，本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器，包括QCM换能器，其特征在于：
[0010]所述QCM换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。
[0011]本专利技术还提供一种基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012](1)、清洗QCM换能器
[0013]将QCM换能器依次放入到去离子水和无水乙醇中，超声清洗1分钟，然后放入40
‑
60
℃干燥箱中干燥2小时，然后放入干净容器中备用；
[0014](2)、制备木质素
[0015]使用乙醇/水混合溶剂、1.5wt％的浓硫酸与稻秆粉末在反应釜中混合，在180℃搅拌3小时，然后洗涤、过滤、干燥得到木质素；
[0016](3)、制备敏感材料分散液
[0017]称取定量的木质素加入到定量的溶剂中，超声3
‑
5小时制成浓度为1
‑
4mg/ml的制备方法；
[0018](4)、涂覆湿敏薄膜
[0019]将步骤(1)得到的QCM换能器水平放置，然后将步骤(3)制备的敏感材料分散液涂覆在QCM换能器的电极表面，干燥得到湿敏薄膜，制成涂覆有木质素的湿度传感器，完成基于石英晶体微天平的湿度传感器的制备。
[0020]本专利技术的目的是这样实现的。
[0021]本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，其QCM换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。木质素中含有大量的羟基，因此，在不同的湿度环境中，木质素会自发地吸附或者脱附水分子，会产生质量变化。而QCM传感器是一种检测精度能到纳克量级的质量响应型传感器，可以将木质素的质量变化转化为频率变化体现出来，从而本专利技术可以检测湿度。在本专利技术中，采用木质素作为湿敏材料具有低价格、绿色无污染、可再生、可降解、对人体无害的特点。同时，具有制备方法简单的优势。经测试，采用木质素作为湿敏材料，涂覆在QCM换能器的电极表面，形成湿敏薄膜，制成的基于石英晶体微天平的湿度传感器具有灵敏度搞、响应时间快、重复性稳定性好等优势。
附图说明
[0022]图1是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法一种具体实施方式流程图；
[0023]图2是木质素的微观形貌图；
[0024]图3是搭建的基于石英晶体微天平的湿度传感器的测试系统示意图；
[0025]图4是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％RH到97.3％RH之间的动态响应曲线；
[0026]图5是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％RH到97.3％RH之间的灵敏度曲线；
[0027]图6是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％RH到97.3％RH之间的对数拟合曲线；
[0028]图7是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％RH到97.3％RH之间的湿滞曲线；
[0029]图8是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％RH到84.3％RH之间的响应/恢复曲线；
[0030]图9是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器11.3％RH到84.3％RH之间的重复性曲线。
[0031]图10是本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器的长期稳定性曲线图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0033]木质素(Lignin)是一种广泛存在于各种草本、木本、和维管植物中的有机物，也是仅次于纤维素的世界第二大生物质能源。木质素有着可再生、可降解、不会对环境造成污染等优点，并且木质素还含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团，具有极好的亲水性能。
[0034]因此，本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器，在其中的QCM换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。
[0035]图1是本专利技术中基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法一种具体实施方式流程图；
[0036]在本实施例中，如图1所示，本专利技术基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法包括以下步骤：
[0037]步骤S1：清洗QCM换能器
[0038]将QCM换能器依次放入到去离子水和无水乙醇中，超声清洗1分钟，然后放入40
‑
60℃干燥箱中干燥2小时，然后放入干净容器中备用。
[0039]其中，QCM换能器的固有频率可以是4MHz...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石英晶体微天平的湿度传感器，包括QCM换能器，其特征在于：所述QCM换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。2.一种于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、清洗QCM换能器将QCM换能器依次放入到去离子水和无水乙醇中，超声清洗1分钟，然后放入40
‑
60℃干燥箱中干燥2小时，然后放入干净容器中备用；(2)、制备木质素使用乙醇/水混合溶剂、1.5wt％的浓硫酸与稻秆粉末在反应釜中混合，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄显核，陈桥，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：