[发明专利]基于二维带状MoO3

说明书

基于二维带状MoO₃纳米材料的高灵敏度微波湿度传感器，本发明属于湿度传感器领域，它为了解决现有湿度传感器灵敏度较低和响应时间较长的问题。本发明微波湿度传感器中连接微带线的一端与第一端口馈线连通，连接微带线的另一端与第二端口馈线连通，一号矩形环开环谐振器和二号矩形环开环谐振器对称分布在连接微带线的两侧，三号矩形环开环谐振器和四号矩形环开环谐振器对称分布在连接微带线的两侧，连接微带线与四个矩形环开环谐振器均为平行线耦合，敏感材料位于每个开环谐振器的开口处。本发明从选频分析、气敏材料合成、微波器件设计等方面对微波湿度检测器件进行优化，实现了10％到90％相对湿度范围的高灵敏检测。

技术领域

本发明属于湿度传感器领域，具体涉及一种多频带阻滤波传感器作为感湿元件。

背景技术

随着社会进步和科技的发展，我国对于高精度、高灵敏度、快速反应、高可靠性物联网智能传感器的需求与日俱增。现代湿度传感器的种类较多，主要分为以下几类：电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器、光纤湿度传感器、压阻式湿度传感器以及微波湿度传感。它们被广泛地应用在工业、农业、国防、航空航天、日常家居等国计民生相关的领域，有着十分重要的地位；但与之不符的是，我国高精度湿度传感器目前完全依赖进口，国内尚无能够生产高端高精度湿度传感器的公司。大部分湿度传感器的高端产品来自于Vaisala(芬兰)，IST(瑞士)和E+E(奥地利)等外国企业，与外国企业的产品相比，我国企业的产品在可靠性、使用寿命、精度等各个方面仍存在着较大的差距。

现在市场上主流的湿度传感器多为电阻式湿度传感器，电容式湿度传感器，光纤式湿度传感器以及压阻式湿度传感器。其成本较低，易于集成，工艺较为简单，应用广泛，但是它们也有湿滞参数较差等缺点，无法在一些特殊环境下使用。(1)电阻式湿度传感器的原理是把湿敏材料制成电阻，当外界湿度发生改变时，湿敏材料会发生吸湿和脱湿现象，从而使自身的阻值发生改变，通过电阻值的改变可以推测出外界湿度的变化。电容由两层导体层和一层介质层构成，介质层处于两层导体层之间。影响电容器电容值的因素有电容器面积、两层导体层间距及介质层介电常数。电阻式湿度传感器的优点主要包括电路结构简单，灵敏度较高和线性度好。而它的缺点也非常明显，首先电阻式湿度传感器响应时间较长，并且它的抗污染性也较差，长期暴露在大气中的部分会被污染，会造成可靠性和敏感度的下降，这是阻碍其应用的显著问题。(2)电容式湿度传感器的原理是当外界环境湿度发生变化时，由湿敏材料制成的介质层的介电常数会发生变化，从而引起电容器电容值的变化，且两者变化成正比。可以从电容器电容值变化的具体情况来获取外界湿度变化的信息。电容式湿度传感器的优点是灵敏度高，响应速度快，湿度的滞后量少，成本低，而它的缺点是输出的信号较低(pF级的电容改变)，且易受温度的影响。(3)光纤式湿度传感器由纤芯与包层构成，这两者的折射率不同，纤芯的折射率比包层要小一些。这样可以使光在纤芯中能够传播。大部分光纤湿度传感器的工作原理是在光纤表面涂上亲水材料层，当外界湿度发生改变时，亲水材料的物理特性或折射率会有改变，并施加应力给光纤；抑或会使光纤内模式的有效折射率发生改变，因此会影响光纤传感器输出参量的变化。然后通过光谱漂移的具体情况来获取外界湿度变化的信息。光纤式湿度传感器有着不受外界电磁环境干扰、耐腐蚀性好、稳定性好、灵敏度高等优点，相对的，也有成本较高、设备体积较大等缺点。这些缺点限制了光纤式湿度传感器的应用范围。目前较为成熟的光纤式湿度传感器种类有光纤光栅型、干涉型、光强调制型等光纤式湿度传感器。(4)压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，自身电阻发生变化的现象。压阻式湿度传感器的原理是利用两种材料的吸湿膨胀系数不同，一定湿度条件下，两种材料组成的双膜结构会有不同的应力产生，通过测量应力或者电阻改变即可得到相应的湿度。目前压阻式湿度传感器的结构主要分为两种，一种是方膜结构，另一种是悬臂结构。压阻式湿度传感器是一种出现时间较晚的传感器，它的设计难点在于需要提供足够的热耦合以确保精确的温度控制，因此温度漂移会对这种传感器的性能造成较大的影响。目前国内关于压阻式湿度传感器的研究主要集中在微机电系统(MEMS)压阻式湿度传感器上，MEMS 压阻式湿度传感器采用微电子和微机械加工技术所制造，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。