[發明專利]一種高頻石英晶片微天平小型濕度傳感器及濕度測量裝置

在審

• 申請號: 202210894590.1
• 申請日: 2022-07-28
• 公開（公告）號: CN115165656A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 馮立輝;劉德威;石中玉;盧繼華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N5/02
• 分類號: G01N5/02
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙) 11462
• 代理人: 白元群

1.一種高頻石英晶片微天平小型濕度傳感器，其特征在于，包括QCM基片及選擇性薄膜兩部分且所述QCM基片的厚度范圍是25到30微米；

所述濕度傳感器通過在QCM基片的表面涂敷選擇性薄膜制備；

所述QCM基片采用濕法刻蝕工藝制備，通過兩片硅片制作而成；

其中，一片硅片為AT切石英晶片，另一硅片為普通硅片；

所述QCM基片濕法刻蝕工藝制備，具體為：

所述濺膜，具體為：用硫酸雙氧水混合溶液洗凈AT切石英晶片，在其表面濺射金膜，得到濺射金膜的石英晶片；

所述光刻，具體為：在濺射金膜的石英晶片的兩面都勻上光刻膠，通過光刻確定腐蝕區域，并對腐蝕區域進行顯影及烘干，得到顯影后石英晶片；

所述腐蝕，具體為：將顯影后石英晶片先后浸泡在在金腐蝕液和丙酮中，再將浸泡后的石英晶片放入石英腐蝕液中腐蝕得到反臺階結構的石英晶片；

所述再光刻，具體為：在反臺階結構的石英晶片的背面勻膠，再通過光刻確定出背面激勵電極的圖案及大小，得到光刻處理后石英晶片；

所述再濺膜，具體為：去除光刻處理后石英晶片背面的光刻膠并在正面濺射上金膜，將另一硅片氧化后形成二氧化硅薄膜，并在表面濺射一層銦作為鍵合材料，通過光刻腐蝕出和AT切石英晶片相對應的橋腿部位；

所述鍵合，具體為：將兩晶片經表面清洗和活化處理，通過范德華力、分子力甚至原子力使晶片鍵合成為一體，得到QCM基片；

所述選擇性薄膜的制備，包括乳化內凝膠、注射過濾以及和微球沉積三部分；

所述乳化內凝膠，具體為：將親水聚合物溶解到水中，得到聚合物溶液；在聚合物溶液中依次加入油相、乳化劑、酸性化合物并混合與攪拌，得到聚合物乳液；將聚合物乳液進行離心、洗滌、沉淀及烘干得到微球；

所述微球的結構為三維且其表面積比二維結構的微球更高；

所述注射過濾，具體為：將微球通過注射分散到乙醇中，并通過濾頭過濾，得到濾液；

所述微球沉積，具體為：將濾液采用乙醇涂覆在QCM基片的表面，再將QCM基片干燥使得QCM基片上形成選擇性薄膜；

所述涂敷選擇性薄膜的QCM基片即高頻小型化石英晶片微天平濕度傳感器，簡稱QCM傳感器。

2.根據權利要求1所述的濕度傳感器，其特征在于，所述石英腐蝕液為飽和氫氟酸溶液。

3.根據權利要求1所述的濕度傳感器，其特征在于，所述親水性聚合物由海藻酸鈉及復合聚谷氨酸組成。

4.根據權利要求1所述的濕度傳感器，其特征在于，所述親水聚合物以海藻酸鈉為基底復合聚谷氨酸得到。

5.根據權利要求1或2或3或4所述的濕度傳感器，其特征在于，濕度傳感器的工作過程為：

所述選擇性薄膜吸收所處環境中的水蒸氣并達到平衡；

測量QCM傳感器頻率變化Δf；

依據表面質量改變ΔM與QCM傳感器頻率變化Δf定量關系，計算石英晶片的表面質量改變ΔM；

所述表面質量改變ΔM與QCM傳感器頻率變化Δf的定量關系如Sauerbrey方程(1)所示：

其中，A_e是電極區域面積，μ_q為石英晶片的剪切模量，ρ_q為石英晶片的密度，ΔM是石英晶片表面質量改變，Δf是QCM傳感器頻率變化；f₀為AT切石英晶片中產生駐聲波時的固有正頻率且f₀的頻率范圍為59MHz到63MHz；

再依據石英晶片的表面質量改變ΔM標定濕度傳感器的濕度。