[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

本發明屬于高頻感知及壓力傳感技術領域，涉及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。所述濕度傳感器通過在QCM基片表面涂敷選擇性薄膜制備，包括QCM基片及選擇性薄膜且QCM基片的厚度為25到30微米；所述QCM基片采用濕法刻蝕工藝制備，包括濺膜、光刻、腐蝕、再光刻、再濺膜及鍵合；所述選擇性薄膜通過乳化內凝膠、注射過濾及和微球沉積涂覆在QCM基片表面再干燥形成。所述濕度測量裝置包括氣泵、濕度發生裝置、固定裝置、網絡分析儀及上位機，測量濕度。所述濕度傳感器首次使用濕法刻蝕制作QCM基片且選擇性薄膜首次用于QCM基片制備小體積QCM傳感器，所述傳感器體積極小、成本低、易于制造且柔性可穿戴。

技術領域

本發明屬于高頻感知以及壓力傳感器技術領域，具體涉及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。

背景技術

濕度測試應用廣泛，在工業、農業以及醫療等領域有著重要的應用。石英晶片微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一種近年來廣泛研究的新型濕度傳感方法，現有QCM濕度傳感存在靈敏度不足、體積太大等問題。在傳感器領域，濕度檢測是智能檢測的一個重要的方向，對濕度進行精準檢測是保護生態環境和促進各行業良性發展的重要環節。濕度傳感器在工業生產、農業生產、醫療健康等領域有著重要應用。

在工業加工和環境控制中，濕度過高會使產品受潮和腐爛，濕度過低會使產品干裂和變質；對于半導體工業中制造高復雜的集成電路，在晶圓加工過程中要不斷監測濕度或濕度水平；在農業中，濕度傳感器用于溫室空調、種植保護(防露)、土壤濕度監測和谷物儲存；在醫療領域，濕度傳感器應用于呼吸設備、滅菌器、恒溫箱、制藥加工、生物制品等；對于人體，能讓人體維持健康狀態的濕度范圍是45％RH-60％RH之間。

高精度濕度傳感器按照制作原理分為三類：光學型傳感器、電容型、電阻型和質量-頻率型。目前，商用濕度傳感器主要為電容型和電阻型。不同類型濕度傳感器有不同的優缺點，相較于光學型傳感器及電容型傳感器，基于壓電效應的質量-頻率型傳感器石英晶片微天平(QCM)測量值提升了一個數量級，根據頻率變化與吸濕后質量變化相關聯的原理制成，其結構簡單、成本低、功耗低、對環境溫度不敏感，具有較寬的檢測范圍和較快的響應/恢復速度。當QCM基頻較高時，可實現高精度測量，檢測精度可達納克級別，有望發展為成熟的低功耗高靈敏度傳感器產品。

發明內容

本發明的目的在于針對現有QCM濕度傳感器存在體積太大、靈敏度不足問題，提出了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。

為了達到上述目的，本發明采取如下技術方案。

所述高頻石英晶片微天平小型濕度傳感器，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；