[发明专利]一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，包括QCM换能器和其电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。制备方法的具体步骤是清洗使QCM换能器，用乙醇/水混合溶剂、1.5wt％的浓硫酸与稻秆粉末在反应釜中混合，在180℃搅拌3小时，然后洗涤、干燥得到木质素；然后将木质素在超声的帮助下均匀的分散在乙醇中得到均匀的敏感材料分散液；然后涂覆在石英晶体微天平的电极表面，干燥6‑8小时，制备为涂覆有木质素的湿度传感器。本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器不但有灵敏度高、响应/恢复时间快、重复性好、湿滞低等优点，而且具有制造方法简单、成本低廉、敏感材料可降解等优势。

技术领域

本发明属于湿度传感器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)的湿度传感器(QCM湿度传感器)及制备方法。

背景技术

有效监测和控制湿度水平是航空航天、发电和电力转换、仓库存储、工农业生产以及其他领域正常生产的前提。因此，人们对湿度传感器提出了更高的要求。这使得湿度传感器成为现在的一个研究热点，世界各国也纷纷参与到湿度传感器的研究中，主要的研究方向就是开发新型的湿度敏感元件。

石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一种新型的质量型换能器，具有操作简单、灵敏度高、成本低廉、检测精度可以达到纳克量级等优点，正成为气湿敏传感器的研究热点。

QCM在作为气湿敏传感器时，主要是利用其电极表面的湿敏薄膜吸附气体分子引起的质量变化，进而转化为QCM的谐振频率变化进行湿度测量。谐振频率变化可以用以下的公式进行计算：

其中，Δm，Δf分别代表质量变化(ng)和频率变化(Hz)；f₀和A代表QCM的基频(Hz)和有效面积(cm²)；ρ_q和μ_q分别代表石英晶体的密度(ρ_q＝2.648g.cm^-3)和弹性模量(μ_q＝2.947*10¹¹g.cm^-1.s^-2)。

现在用作QCM湿度传感器的湿敏材料包括各种金属氧化物，如ZnO、TiO2等，碳材料，如氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯等，聚合物，如聚乙烯醇、聚乙烯酰胺、纤维素等，以及有序硅基介孔材料SBA-15、金属有机框架等等。但是我们发现这些湿敏材料要么价格高昂，要么对环境污染很大，要么对人体有害，并且存在灵敏度低，湿滞大，响应时间慢等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，以使湿敏材料具有低价格、绿色无污染、可再生、可降解、对人体无害的特点，并且具有制备方法简单、灵敏度高、响应时间快、重复性稳定性好等优势。

为实现上述发明目的，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器，包括QCM换能器，其特征在于：

所述QCM换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。

本发明还提供一种基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、清洗QCM换能器

将QCM换能器依次放入到去离子水和无水乙醇中，超声清洗1分钟，然后放入40-60℃干燥箱中干燥2小时，然后放入干净容器中备用；

(2)、制备木质素

使用乙醇/水混合溶剂、1.5wt％的浓硫酸与稻秆粉末在反应釜中混合，在180℃搅拌3小时，然后洗涤、过滤、干燥得到木质素；

(3)、制备敏感材料分散液