CN108896623B - 一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器 - Google Patents

一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，为了解决现有技术中湿度传感器数字化问题，本发明利用由敏感电极与石英晶体谐振器所形成的串联连接具有高灵敏的阻抗调频特性的特点，能够将气相环境中相对湿度变化引起的敏感电极电学特性变化，直接转换为本传感器的振荡频率变化，其振荡频率由频率计数器采集，并送到计算机进行处理；本发明的传感器具有灵敏度高、数字频率输出、稳定性好等特点。

Description

一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种湿度传感器技术。
背景技术
传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其中湿度传感器在工业生产、化工、环境监测、医疗健康及科学实验等领域有着广泛的应用。在传统的湿度传感器中，电容式和阻抗式湿度传感器最为常见，目前这种类型的湿度传感器可以实现较高的湿度检测灵敏度和响应速度，但是其输出是模拟量，易受外部环境干扰，在信号处理过程中，也非常容易引入误差。数字式湿度传感器相较于模拟式湿度传感器在易用性、抗干扰性和可靠性方面具有显著优势，因此开发数字式湿度传感器已成为湿度传感器领域的重点研究方向之一。
如专利CN101620057B公开了一种可以输出数字频率信号的QCM湿度传感器，该发明采用有序硅基介孔材料SBA-15作为湿敏材料涂覆在石英晶体微天平(QCM)的电极表面构建QCM质量敏感型湿度传感器。其中，该湿度传感器所述SBA-15湿敏材料可以与水分子产生可逆的吸附和脱附作用，引起所述QCM器件的频率随之变化。该湿度传感器具有数字频率输出和结构简单的优点，但是该湿度传感器响应灵敏度不高、在高湿环境下的信号稳定性不够理想，长期稳定性较差，同时QCM器件的晶片裸露、易损坏，使用寿命较短。又如文献＂AHigh Stability quartz crystal resonator humidity sensor based on tuningcapacitor,X.Yu等，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，第67卷，第715-721页＂提出了一种电容调频式湿度传感器，该文献分别采用氧化石墨烯和全氟磺酸作为湿度敏感材料涂覆在叉指电极表面，构建了两种电容调频式湿度传感器。氧化石墨烯和全氟磺酸材料均可与水分子产生可逆的吸附和脱附作用，使得探测电极的电容随之变化，并引起所述电容调频式湿度传感器的频率发生变化。所述湿度传感器具有数字频率输出和结构简单的优点，但是所述湿度传感器也存在一些问题，如基于氧化石墨烯的电容调频式湿度传感器响应灵敏度不高、电容敏感部件的抗干扰能力差；而基于全氟磺酸的电容调频式湿度传感器也存在敏感薄膜易开裂，成膜一致性差、长期稳定性不佳的问题，综合性能难以满足实际需要。
因此，开发出结构简单、稳定性好、灵敏度高、使用寿命长的数字式湿度传感器具有十分重要的现实意义。
发明内容
为了解决现有技术中湿度传感器数字化问题，本发明提出了一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，利用敏感电极串联石英晶体谐振器电路具有高灵敏的阻抗调频特性的特点，实现了高灵敏的湿度检测和数字频率输出。
本发明采用的技术方案为：一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，包括：敏感电极、石英晶体谐振器以及振荡器；敏感电极第一端与振荡器第一端相连，振荡器第二端与石英晶体谐振器第一端相连，所述石英晶体谐振器第二端与敏感电极第二端相连；所述振荡器的第二端作为数字频率式湿度传感器的输出端；
所述敏感电极从下到上依次包括衬底、制作于衬底上的微电极以及制备于微电极上的氧化石墨烯量子点薄膜；
所述数字频率式湿度传感器的输出频率F是敏感电极的等效电阻Rx和等效电容Cx的函数，为F＝f(Rx,Cx)。
进一步地，输出端的输出频率F计算式为：
Figure BDA0001726788700000021
其中，L表示石英晶体的惯性质量、C表示石英晶体的机械弹性，C0表示石英晶体谐振器与敏感电极连接处的静态电容，Rx为敏感电极的等效电阻，Cx为敏感电极的等效电容。
进一步地，所述氧化石墨烯量子点薄膜的氧化石墨烯量子点单片直径小于或等于5nm。
更进一步地，所述氧化石墨烯量子点湿度敏感薄膜通过滴涂法或旋涂法或喷涂法或自组装法中的任意一种方法制备。
进一步地，所述衬底为FR-4基片、硅基片、陶瓷基片中的任意一种。
进一步地，所述微电极为回字形电极或叉指电极中的任意一种。
进一步地，所述石英晶体谐振器采用金属封装，频率为1-40MHz。
进一步地，振荡器采用皮尔斯振荡器或锁相环振荡器。
本发明的有益效果：本发明利用由敏感电极与石英晶体谐振器所形成的串联连接具有高灵敏的阻抗调频特性的特点，实现了高灵敏的湿度检测；本发明具有高品质因数的特点，有效提高了湿度传感器的输出信号稳定性；本发明还具有数字频率输出，后续检测电路简单，且数字信号可直接接入数字系统中，有利于后期的传感信号采集和处理；本发明与现有湿度传感器相比，具有结构简单、制作方便、频率稳定性好、抗干扰能力强、灵敏度高等优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器的电路结构图。
图2为本发明实施例PCB回字形敏感电极示意图；
其中，图2(a)为整体示意图；图2(b)为剖视图；图2(c)为俯视图。
图3为本发明实施例敏感电极与石英晶体谐振器串联部分的等效电路模型图。
附图标记说明：1—敏感电极、2—石英晶体谐振器、3—振荡器、4—频率计、5—计算机、11—衬底、12—回字形微电极、13—湿度敏感薄膜。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的技术方案为：一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，包括敏感电极1、石英晶体谐振器2以及振荡器3；所述敏感电极1第一端与振荡器3第一端相连，振荡器3第二端与石英晶体谐振器2第一端相连，所述石英晶体谐振器2第二端与敏感电极1第二端相连；所述振荡器3的第二端作为湿度传感器的输出端。该输出为敏感电极1、石英晶体谐振器2以及振荡器3所组成串联回路的振荡频率；通过频率计4采集，并传输到计算机5处理。
敏感电极为PCB印制电极、硅电极或陶瓷电极中的任意一种。本实施例中以PCB印制电极为例进行说明：如图2所示，包括衬底11、制作于其上的回字形微电极12以及通过滴涂法制备于回字形电极12上的湿度敏感薄膜13，湿度敏感薄膜13为氧化石墨烯量子点薄膜；如图2(a)、(b)、(c)所示，湿度敏感薄膜13覆盖整个回字形电极部分，电极焊点未被湿度敏感薄膜13覆盖。
石英晶体谐振器2采用金属封装，其频率为1-40MHz。本发明实施例中，石英晶体谐振器2的标称频率为10MHz。
振荡器3采用皮尔斯振荡器或锁相环振荡器等类型的振荡器。
敏感电极1与石英晶体谐振器2串联部分的等效电路模型如图3所示，根据该等效电路模型，可以推导出该数字频率输出的湿度传感器的谐振频率F为：
Figure BDA0001726788700000041
其中，L表示石英晶体的惯性质量、C表示石英晶体的机械弹性，C0表示石英晶体谐振器与敏感电极连接处的静态电容，Rx为敏感电极的等效电阻，Cx为敏感电极的等效电容。
由公式(1)可知，敏感电极1的等效电容Cx和/或等效电阻Rx发生变化时，会引起该湿度传感器的输出频率F改变。
本发明工作时，敏感电极1顶层的湿度敏感薄膜13与环境中的水分子发生相互作用后，湿度敏感薄膜13的电学特性(例如电导率和/或介电性)会发生变化，导致敏感电极1的电学参数(例如电阻参量和/或电容参量)发生相应变化，遵从公式(1)所述的函数关系，最终引起本发明的数字频率式湿度传感器的输出频率发生变化。
本发明实施例中，湿度敏感薄膜13为氧化石墨烯量子点薄膜；氧化石墨烯量子点薄膜的氧化石墨烯量子点单片直径小于或等于5nm；氧化石墨烯量子点湿度敏感薄膜可以通过滴涂法或旋涂法或喷涂法或自组装法中的任意一种方法制备；本实施例中的微电极还可以为叉指电极。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，包括：敏感电极、石英晶体谐振器以及振荡器；敏感电极第一端与振荡器第一端相连，振荡器第二端与石英晶体谐振器第一端相连，所述石英晶体谐振器第二端与敏感电极第二端相连；所述振荡器的第二端作为数字频率式湿度传感器的输出端；
所述敏感电极从下到上依次包括衬底、制作于衬底上的微电极以及制备于微电极上的氧化石墨烯量子点薄膜；
所述数字频率式湿度传感器的输出频率F是敏感电极的等效电阻Rx和等效电容Cx的函数，所述输出端的输出频率F计算式为：
其中，L表示石英晶体的惯性质量、C表示石英晶体的机械弹性，C0表示石英晶体谐振器与敏感电极连接处的静态电容，Rx为敏感电极的等效电阻，Cx为敏感电极的等效电容。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，所述氧化石墨烯量子点薄膜的氧化石墨烯量子点单片直径小于或等于5nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，所述氧化石墨烯量子点薄膜通过滴涂法或旋涂法或喷涂法或自组装法中的任意一种制备。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，所述衬底为FR-4基片、硅基片、陶瓷基片、高分子柔性基片中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，所述微电极为回字形电极或叉指电极中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，所述石英晶体谐振器采用金属封装，频率为1-40MHz。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量气体相对湿度的数字频率式湿度传感器，其特征在于，振荡器采用皮尔斯振荡器或锁相环振荡器。
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