CN106770642A - 水分测量装置和方法、兰姆波传感器及气体湿度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水分测量装置和方法、兰姆波传感器及气体湿度测量方法，其中，该兰姆波传感器包括：硅衬底层；地电极层，设置在所述硅衬底层上；压电薄膜，设置在所述地电极层上；叉指电极，设置在所述压电薄膜上；其中，所述硅衬底层的底部涂覆有亲水性材料层，用于吸收所述气体中的水分。本发明通过在兰姆波传感器的硅衬底层底部涂覆亲水性材料层，使得在测量气流中的水分时，由于吸收水分导致质量发生变换，进而引起振动频率的变化，由于可以测量出气体中的水分，实现兰姆波传感器在水分测量中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种水分测量装置和方法、兰姆波传感器及气体湿度测量方法。
背景技术
目前国内测量高纯气体中水分含量主要采用电容法、电解法以及露点法等。但随着电子工业、化学工业的高速发展，这些方法的测量精度、速度已渐渐无法满足越来越严格、浓度低至10-9体积分数(ppbv)级别的超微量水分分析需求。
发明人发现，压电声波传感器(如兰姆(Lamb)波传感器)在检测灵敏度、选择性、微量样品定量分析、响应时间、体积等方面具备独特优势，满足高端制造业用气中超微量水分快速、连续、在线分析与监测需求。发明人却发现现有的压电传感器具备用来测量气体中的水分含量的基础，例如中国专利文献CN105241505A公开的一种基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法，其中，Lamb波传感器从下至上依次设有硅衬底层、地电极、氧化铝压电薄膜及叉指电极。该Lamb波传感器虽然可以用于测量流体的流速和压力，但是却无法用来检测气体中的水分。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于现有的Lamb波传感器无法测量气体中的水分，从而提供一种水分测量装置和方法、兰姆波传感器及气体湿度测量方法。
本发明实施例的一方面，提供了一种兰姆波传感器，用于测量气体中的水分，所述兰姆波传感器包括：硅衬底层；地电极层，设置在所述硅衬底层上；压电薄膜，设置在所述地电极层上；叉指电极，设置在所述压电薄膜上；其中，所述硅衬底层的底部涂覆有亲水性材料层，用于吸收所述气体中的水分。
可选地，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜。
可选地，所述地电极层为钛材料层或者钼材料层。
可选地，所述硅衬底层的底部设置有腐蚀槽，其中，所述亲水性材料层涂覆在所述腐蚀槽内。
可选地，所述亲水性材料层为以下之一：纳米材料层、聚乙烯有机薄膜、纤维材料层、氧化石墨烯复合材料层。
本发明实施例的另一方面，提供了一种水分测量装置，包括：流道底座，其上设置有凹槽，所述凹槽底部设置有气体流道；兰姆波传感器，设置在所述凹槽内；流道上板，覆盖在所述流道底座上。
可选地，所述兰姆波传感器的硅衬底层的底部朝向所述气体流道。
可选地，在所述凹槽侧边与所述兰姆波传感器接触的位置设置密封部件。
可选地，所述密封部件为密封圈，其中，所述凹槽外侧设置有环形槽，用于设置所述密封圈，所述密封圈的高度大于所述环形槽的深度，所述密封圈与所述兰姆波传感器接触，形成密封。
可选地，还包括：电路板，覆盖在所述流道上板上；弹性探头，其一端与所述电路板电连接，另一端穿过所述流道上板并延伸形成弹性触头，其中，所述弹性触头与所述兰姆波传感器的叉指电极和地电极层电连接。
本发明实施例的另一方面，提供了一种水分测量方法，包括：在水分测量装置的气体流道内通入待测气体；涂覆在所述兰姆波传感器底部的亲水性材料层吸收所述待测气体中的水分；所述兰姆波传感器在所述待测气体激发下产生电信号，输出所述电信号，其中，所述电信号用于表示所述亲水性材料层吸收所述待测气体中的水分后所述兰姆波传感器生成的振动信号。
本发明实施例的另一方面，提供了一种气体湿度测量方法，包括：获取水分测量装置检测到的电信号，所述电信号用于表示所述亲水性材料层吸收待测气体中的水分后所述兰姆波传感器生成的振动信号；根据所述电信号确定出所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率；根据气体相对湿度与所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率之间的对应关系，确定所述待测气体的相对湿度；或者，确定所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率与基准频率之间的变化量，其中，所述基准频率为所述兰姆波传感器在干燥气体的激发下生成的振动信号的频率；根据气体相对湿度与变化量之间的对应关系，确定所述待测气体的相对湿度。
根据本发明实施例，通过在兰姆波传感器的硅衬底层底部涂覆亲水性材料层，使得在测量气流中的水分时，由于吸收水分导致质量发生变换，进而引起振动频率的变化，由于可以测量出气体中的水分，实现兰姆波传感器在水分测量中的应用。另外，本发明实施例所提供的兰姆波传感器相对于其他的压电传感器，具有体积小、灵敏度高的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中兰姆波传感器的一个具体示例的示意图；
图2为本发明实施例中水分测量装置的一个具体示例的爆炸图；
图3示出了图2中流道底座的内部结构示意图；
图4为本发明实施例中水分测量方法的一个具体示例的流程图；
图5为本发明实施例中水分测量方法的另一个具体示例的流程图；
图6为本发明实施例中气体湿度测量方法的一个具体示例的流程图；
图7为本发明实施例中气体湿度测量方法的另一个具体示例的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种兰姆波传感器，该兰姆波传感器可以用于测量气体中的水分，具体地，可以用于测量气体的相对湿度。
如图1所示，该兰姆波传感器包括：从下到上依次设置的硅衬底层91、地电极层93、压电薄膜94和叉指电极95。地电极层93设置在硅衬底层91上；压电薄膜94设置在地电极层93上；叉指电极95设置在压电薄膜94上。进一步地，硅衬底层91的底部涂覆有亲水性材料层92，用于吸收气体中的水分。在测量气体中的水分的时候，该亲水性材料层92与气流接触，亲水性材料层92具有较强的吸水性，以将气流中的水分吸收，致使其质量增加。
由于本发明实施例的兰姆波传感器包括上下电极(地电极层93和叉指电极95，均可以是平面电极)和夹在它们之间的压电薄膜94，当电压施加在电极上时，压电薄膜94由于逆压电效应产生机械形变，在压电薄膜94内质点发生弹性振动，并在其内传播形成弹性机械波，继而在两电极之间来回反射形成机械谐振波，然后叉指电极通过正压电效应将传递来的机械振动转变成电信号输送出去。当亲水性材料层92与气流接触，并吸收气流中的水分时，其质量发生变化，致使兰姆波传感器内产生机械振动发生变化，如振动频率发生偏移，基于该原理，可以准确地检测出气流中的水分含量。
根据本发明实施例，通过在兰姆波传感器的硅衬底层底部涂覆亲水性材料层，使得在测量气流中的水分时，由于吸收水分导致质量发生变换，进而引起振动频率的变化，由于可以测量出气体中的水分，实现兰姆波传感器在水分测量中的应用。另外，本发明实施例所提供的兰姆波传感器相对于其他的压电传感器，具有体积小、灵敏度高的优势。
本发明实施例的亲水性材料层92可以直接涂覆在硅衬底层91的底部，也可以是如图1所示，在硅衬底层91的底部设置有腐蚀槽，将亲水性材料层92涂覆在腐蚀槽内。
硅衬底层91主要起到支撑作用，其中，腐蚀槽位置处的硅衬底层的厚度不超过10um，以提高兰姆波传感器对压电薄膜振动的质量灵敏度。
可选地，本发明实施例的压电薄膜为氮化铝压电薄膜。氮化铝压电薄膜具有高灵敏性，从而可以提高水分测量的准确性。
可选地，地电极层为钛材料层或者钼材料层。钛材料层或者钼材料层有利于氮化铝压电薄膜在其上的溅射沉积是的生长，得到的氮化铝薄膜与钛材料层或者钼材料层的结合强度高，薄膜组织结构均匀。
可选地，亲水性材料层为以下之一：纳米材料层、聚乙烯有机薄膜、纤维材料层、氧化石墨烯复合材料层。其中，纳米材料层可以优选碳纳米管或者纳米二氧化钛薄膜，其中，碳纳米管分为两种，一种是修饰羧基，一种是修饰氨基的，由于氨基与水分子形成氢键，因此修饰氨基的碳纳米管的吸水性能好，对水分子具有较好的吸附作用，提高水分测量的精度。
本发明实施例还提供了一种水分测量装置，如图2所示，该水分测量装置包括：流道底座4，其上设置有凹槽11，凹槽11底部设置有气体流道5；兰姆波传感器9，设置在凹槽11内；流道上板3，覆盖在流道底座4上。
兰姆波传感器9为本发明上述实施例所提供的兰姆波传感器，其中，兰姆波传感器9的硅衬底层的底部朝向气体流道。具体如图3所示，兰姆波传感器9设置在凹槽11上，在凹槽内形成腔室，凹槽底部设置由进气孔和出气孔，气体从与外部气路连接的接口14进入或者流出，腔室内的气体与兰姆波传感器9的底部上的亲水性材料层接触，从而被其吸收。
为了保证水分测量装置的气密性，避免兰姆波传感器9受到外界气体中的水分干扰，本发明实施例的水分测量装置，在凹槽侧边与兰姆波传感器接触的位置设置密封部件。由于凹槽侧边与兰姆波传感器之间会存在缝隙，通过设置密封部件，使得兰姆波传感器9的亲水性材料层其它气体，只与待测气体接触，从而降低干扰，提高检测的精准度。
可选地，密封部件为密封圈，其中，如图3所示，凹槽11外侧设置有环形槽12，用于设置密封圈，密封圈的高度大于环形槽12的深度，密封圈与兰姆波传感器9接触，形成密封。具体地，如图2所述，密封圈8安装在环形槽内，并与兰姆波传感器9的边沿形成密封，只是外界气体无法与亲水性材料层接触。
如图2所示，本发明实施例的水分测量装置还包括：电路板2，覆盖在流道上板3上；弹性探头10，其一端与电路板2电连接，另一端穿过流道上板3并延伸形成弹性触头，其中，弹性触头与兰姆波传感器9的叉指电极和地电极层电连接。
根据图2和图3对本发明实施例的水分测量装置进行详细描述。
如图2所示，该水分测量装置包括：电路板2、流道上板3、流道底座4、弹性探头10。
流道底座4上具有设计的气体流道5、安置兰姆波传感器9的凹槽11、安置密封圈的环形槽12(如图3所示)、上下底座螺纹连接孔13(如图3所示)、与外部气路连接的接口14(如图3所示)以及安装定位销的位置孔，其中，螺钉6穿过螺纹连接孔13将流道底座4与装置上座3铰接在一起。如图3所示，气体流道5穿过用于安装兰姆波传感器9的凹槽11。
兰姆波传感器9用于测量气体中水分含量，其腐蚀槽涂覆亲水性材料层。
流道上板3上具有探针定位孔、测量电路板2定位孔、定位销的位置孔以及螺纹孔，其中，螺钉1穿过测量电路板2进入该螺纹孔。
电路板2覆盖于所述流道上板3，其具有与外部测试仪器连接的接口。
弹性探头10其一端与电路板2电性连接，另一端穿过所述装置上座3并继续延伸形成弹性触头；密封圈8安装在装置的底座的环形槽12内。
根据本发明实施例，通过采用兰姆波传感器作为测量器件，并在兰姆波传感器的腐蚀槽背面涂覆亲水性材料层，来测量高纯气体内的水分含量，具有体积小、灵敏度高、损耗低、模式多的优点。
本发明实施例还提供了一种水分测量方法，该方法用于上述实施例提供的水分测量装置，如图4所示，该水分测量方法包括：
步骤S401，在水分测量装置的气体流道内通入待测气体。
步骤S402，涂覆在兰姆波传感器底部的亲水性材料层吸收待测气体中的水分。
步骤S403，兰姆波传感器在待测气体激发下产生电信号，输出电信号，其中，电信号用于表示亲水性材料层吸收待测气体中的水分后兰姆波传感器生成的振动信号。
如图2和3所示，在气体流道5内通入测量气体，测量气体进入到凹槽11底部形成的腔室内与涂覆在兰姆波传感器底部的亲水性材料层接触，将待测气体中的水分吸收，亲水性材料层的质量发生变化，致使兰姆波传感器内产生机械振动发生变化，如振动频率发生偏移，兰姆波传感器测得的电信号发生变化，因此通过对该电信号的变化进行分析，可以检测出气流中的水分含量。
本发明实施例中，亲水性材料层具有一定的吸水饱和度，当其吸水达到饱和时，无法再吸收水分。由此，本发明实施例中，检测到的电信号在刚通入气体的过程中，是随时间发生变化的，也即是振动信号的频率随着时间发生变化，当达到吸水饱和时，保持稳定。因此，检测亲水性材料层吸水饱和时的电信号，用于分析待测气体中的水分含量的准确性高。
可选地，本发明实施例还提供了另一种可选的实施方式，如图5所示，该水分测量方法包括：
步骤S501，在水分测量装置的气体流道内通入干燥气体，涂覆有亲水性材料层的在兰姆波传感器在所述干燥气体激发下产生基准电信号，其中，所述基准电信号用于反映涂覆有亲水性材料层的在兰姆波传感器在干燥气体的激发下产生的基准频率。
步骤S502，在水分测量装置的气体流道内通入待测气体。
步骤S503，涂覆在兰姆波传感器底部的亲水性材料层吸收待测气体中的水分。
步骤S504，兰姆波传感器在待测气体激发下产生电信号，输出电信号，其中，电信号用于表示亲水性材料层吸收待测气体中的水分后兰姆波传感器生成的振动信号。
步骤S502至步骤S504与图4中所述的步骤S401至S403相同，具体参见上述步骤。
本发明实施例中，通过先用水分测量装置测量得到的干燥气体对应的基准频率，然后再利用测量得到待测气体对应的频率，以便于外部测量仪器利用该频率与基准频率之间的变化量与气体湿度之间的对应关系确定出待测气体的湿度。
本发明实施例还提供了一种气体湿度测量方法，该方法可以用于与上述水分测量装置电连接的外部测量仪器，例如网络分析仪。如图6所示，该方法包括：
步骤S601，获取水分测量装置检测到的电信号，电信号用于表示亲水性材料层吸收待测气体中的水分后兰姆波传感器生成的振动信号。
该电信号为本发明实施例的水分测量装置采用本发明实施例提供的水分测量方法检测到的电信号，具体参见上述实施例的描述。
步骤S602，根据电信号确定出兰姆波传感器生成的振动信号的频率。
步骤S603，根据气体相对湿度与兰姆波传感器生成的振动信号的频率之间的对应关系，确定待测气体的相对湿度。
外部测量仪器根据检测到的电信号，分析得到兰姆波传感器生成的振动信号，可以包括其相位、幅值，然后在计算得到其频率，进一步根据振动信号的频率确定出待测气体的相对湿度。
本实施例中，可以预先根据测量气体湿度的仪器对不同湿度的气体进行测量，得到不同气体的精确的相对湿度值，然后将这些气体分别通入到上述水分测量装置内，得到不同湿度的气体对应的兰姆波传感器生成的振动信号的频率，也即是频率与相对湿度之间的对应关系，形成关系曲线。在进行待测气体的相对湿度测量时，只需要根据兰姆波传感器检测到的电信号，分析出其振动频率，即可查找出待测气体的相对湿度。
另一种可替换的实施方式是采用频率变化量，如图7所示，气体湿度测量方法包括：
步骤S701，获取水分测量装置检测到的电信号，电信号用于表示亲水性材料层吸收待测气体中的水分后兰姆波传感器生成的振动信号。
步骤S702，根据电信号确定出兰姆波传感器生成的振动信号的频率。
步骤S701和S702与图6所示的步骤S601和S602相同，具体参见上面描述。
步骤S703，确定兰姆波传感器生成的振动信号的频率与基准频率之间的变化量，其中，基准频率为兰姆波传感器在干燥气体的激发下生成的振动信号的频率。
步骤S704，根据气体相对湿度与变化量之间的对应关系，确定待测气体的相对湿度。
将干燥气体通过上述水分测量装置时，产生的振动信号的频率作为基准频率，也就是，涂覆有亲水性材料层的兰姆波传感器，在亲水性材料层不吸收水分时，兰姆波传感器在气流的激发下生成的振动信号的频率。预先确定不同湿度的气体致使兰姆波传感器生成的振动信号的频率与基准频率之间的变化量，进而找出气体湿度与频率变化量之间的对应关系，这样可以降低亲水性材料层涂覆工艺造成的影响，提高测量的准确性。该替代方案的气体湿度确定方式与上述方式类似，这里不再赘述。
根据本发明实施例，利用AlN压电薄膜的高灵敏性开发超微量水分检测方法和仪器充分利用兰姆波传感器在检测灵敏度、选择性、微量样品定量分析、响应时间、体积等方面的独特优势，满足高端制造业用气中超微量水分快速、连续、在线分析与监测需求。上述方法和装置的开发，将带动压电薄膜传感器件的制备产业，提升国产高端水分分析仪在市场上的竞争力，满足特气制造商、化工厂商、特气终端用户、天然气输送商、微纳加工商的需求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (12)
1.一种兰姆波传感器，其特征在于，用于测量气体中的水分，所述兰姆波传感器包括：
硅衬底层；
地电极层，设置在所述硅衬底层上；
压电薄膜，设置在所述地电极层上；
叉指电极，设置在所述压电薄膜上；
其中，所述硅衬底层的底部涂覆有亲水性材料层，用于吸收所述气体中的水分。
2.根据权利要求1所述的兰姆波传感器，其特征在于，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的兰姆波传感器，其特征在于，所述地电极层为钛材料层或者钼材料层。
4.根据权利要求1所述的兰姆波传感器，其特征在于，所述硅衬底层的底部设置有腐蚀槽，其中，所述亲水性材料层涂覆在所述腐蚀槽内。
5.根据权利要求1至4任一项所述的兰姆波传感器，其特征在于，所述亲水性材料层为以下之一：纳米材料层、聚乙烯有机薄膜、纤维材料层、氧化石墨烯复合材料层。
6.一种水分测量装置，其特征在于，包括：
流道底座，其上设置有凹槽，所述凹槽底部设置有气体流道；
权利要求1至5任一项所述的兰姆波传感器，设置在所述凹槽内；
流道上板，覆盖在所述流道底座上。
7.根据权利要求6所述的水分测量装置，其特征在于，所述兰姆波传感器的硅衬底层的底部朝向所述气体流道。
8.根据权利要求6所述的水分测量装置，其特征在于，在所述凹槽侧边与所述兰姆波传感器接触的位置设置密封部件。
9.根据权利要求8所述的水分测量装置，其特征在于，所述密封部件为密封圈，其中，所述凹槽外侧设置有环形槽，用于设置所述密封圈，所述密封圈的高度大于所述环形槽的深度，所述密封圈与所述兰姆波传感器接触，形成密封。
10.根据权利要求6所述的水分测量装置，其特征在于，还包括：
电路板，覆盖在所述流道上板上；
弹性探头，其一端与所述电路板电连接，另一端穿过所述流道上板并延伸形成弹性触头，其中，所述弹性触头与所述兰姆波传感器的叉指电极和地电极层电连接。
11.一种水分测量方法，其特征在于，包括：
在权利要求6至10任一项所述的水分测量装置的气体流道内通入待测气体；
涂覆在所述兰姆波传感器底部的亲水性材料层吸收所述待测气体中的水分；
所述兰姆波传感器在所述待测气体激发下产生电信号，输出所述电信号，其中，所述电信号用于表示所述亲水性材料层吸收所述待测气体中的水分后所述兰姆波传感器生成的振动信号。
12.一种气体湿度测量方法，其特征在于，包括：
获取权利要求6-10所述的水分测量装置检测到的电信号，所述电信号用于表示所述亲水性材料层吸收待测气体中的水分后所述兰姆波传感器生成的振动信号；
根据所述电信号确定出所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率；
根据气体相对湿度与所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率之间的对应关系，确定所述待测气体的相对湿度；或者，确定所述兰姆波传感器生成的振动信号的频率与基准频率之间的变化量，其中，所述基准频率为所述兰姆波传感器在干燥气体的激发下生成的振动信号的频率；根据气体相对湿度与变化量之间的对应关系，确定所述待测气体的相对湿度。
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