[發明專利]一種用于測量氣體相對濕度的數字頻率式濕度傳感器

有效

• 申請號: 201810756269.0
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108896623B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 陳向東;丁星
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;G01N27/22
• 代理公司: 51268 成都虹盛匯泉專利代理有限公司
• 代理人: 王偉

本發明公開一種用于測量氣體相對濕度的數字頻率式濕度傳感器，為了解決現有技術中濕度傳感器數字化問題，本發明利用由敏感電極與石英晶體諧振器所形成的串聯連接具有高靈敏的阻抗調頻特性的特點，能夠將氣相環境中相對濕度變化引起的敏感電極電學特性變化，直接轉換為本傳感器的振蕩頻率變化，其振蕩頻率由頻率計數器采集，并送到計算機進行處理；本發明的傳感器具有靈敏度高、數字頻率輸出、穩定性好等特點。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，特別涉及一種濕度傳感器技術。

背景技術

傳感器技術是現代信息技術的三大支柱之一，其中濕度傳感器在工業生產、化工、環境監測、醫療健康及科學實驗等領域有著廣泛的應用。在傳統的濕度傳感器中，電容式和阻抗式濕度傳感器最為常見，目前這種類型的濕度傳感器可以實現較高的濕度檢測靈敏度和響應速度，但是其輸出是模擬量，易受外部環境干擾，在信號處理過程中，也非常容易引入誤差。數字式濕度傳感器相較于模擬式濕度傳感器在易用性、抗干擾性和可靠性方面具有顯著優勢，因此開發數字式濕度傳感器已成為濕度傳感器領域的重點研究方向之一。

如專利CN101620057B公開了一種可以輸出數字頻率信號的QCM濕度傳感器，該發明采用有序硅基介孔材料SBA-15作為濕敏材料涂覆在石英晶體微天平(QCM)的電極表面構建QCM質量敏感型濕度傳感器。其中，該濕度傳感器所述SBA-15濕敏材料可以與水分子產生可逆的吸附和脫附作用，引起所述QCM器件的頻率隨之變化。該濕度傳感器具有數字頻率輸出和結構簡單的優點，但是該濕度傳感器響應靈敏度不高、在高濕環境下的信號穩定性不夠理想，長期穩定性較差，同時QCM器件的晶片裸露、易損壞，使用壽命較短。又如文獻＂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頁＂提出了一種電容調頻式濕度傳感器，該文獻分別采用氧化石墨烯和全氟磺酸作為濕度敏感材料涂覆在叉指電極表面，構建了兩種電容調頻式濕度傳感器。氧化石墨烯和全氟磺酸材料均可與水分子產生可逆的吸附和脫附作用，使得探測電極的電容隨之變化，并引起所述電容調頻式濕度傳感器的頻率發生變化。所述濕度傳感器具有數字頻率輸出和結構簡單的優點，但是所述濕度傳感器也存在一些問題，如基于氧化石墨烯的電容調頻式濕度傳感器響應靈敏度不高、電容敏感部件的抗干擾能力差；而基于全氟磺酸的電容調頻式濕度傳感器也存在敏感薄膜易開裂，成膜一致性差、長期穩定性不佳的問題，綜合性能難以滿足實際需要。

因此，開發出結構簡單、穩定性好、靈敏度高、使用壽命長的數字式濕度傳感器具有十分重要的現實意義。

發明內容

為了解決現有技術中濕度傳感器數字化問題，本發明提出了一種用于測量氣體相對濕度的數字頻率式濕度傳感器，利用敏感電極串聯石英晶體諧振器電路具有高靈敏的阻抗調頻特性的特點，實現了高靈敏的濕度檢測和數字頻率輸出。

本發明采用的技術方案為：一種用于測量氣體相對濕度的數字頻率式濕度傳感器，包括：敏感電極、石英晶體諧振器以及振蕩器；敏感電極第一端與振蕩器第一端相連，振蕩器第二端與石英晶體諧振器第一端相連，所述石英晶體諧振器第二端與敏感電極第二端相連；所述振蕩器的第二端作為數字頻率式濕度傳感器的輸出端；

所述敏感電極從下到上依次包括襯底、制作于襯底上的微電極以及制備于微電極上的氧化石墨烯量子點薄膜；

所述數字頻率式濕度傳感器的輸出頻率F是敏感電極的等效電阻R_x和等效電容C_x的函數，為F＝f(R_x,C_x)。

進一步地，輸出端的輸出頻率F計算式為：