一种基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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：
[0005][0006]
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*10
11
g.cm
‑1.s
‑2)。
[0007]
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。


技术实现要素：

[0008]
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。
[0009]
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：
[0010]
所述qcm换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。
[0011]
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：
[0012]
(1)、清洗qcm换能器
[0013]
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；
[0014]
(2)、制备木质素
[0015]
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；
[0016]
(3)、制备敏感材料分散液
[0017]
称取定量的木质素加入到定量的溶剂中，超声3
‑
5小时制成浓度为1
‑
4mg/ml的制备方法；
[0018]
(4)、涂覆湿敏薄膜
[0019]
将步骤(1)得到的qcm换能器水平放置，然后将步骤(3)制备的敏感材料分散液涂覆在qcm换能器的电极表面，干燥得到湿敏薄膜，制成涂覆有木质素的湿度传感器，完成基于石英晶体微天平的湿度传感器的制备。
[0020]
本发明的目的是这样实现的。
[0021]
本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器及制备方法，其qcm换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。木质素中含有大量的羟基，因此，在不同的湿度环境中，木质素会自发地吸附或者脱附水分子，会产生质量变化。而qcm传感器是一种检测精度能到纳克量级的质量响应型传感器，可以将木质素的质量变化转化为频率变化体现出来，从而本发明可以检测湿度。在本发明中，采用木质素作为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。同时，具有制备方法简单的优势。经测试，采用木质素作为湿敏材料，涂覆在qcm换能器的电极表面，形成湿敏薄膜，制成的基于石英晶体微天平的湿度传感器具有灵敏度搞、响应时间快、重复性稳定性好等优势。
附图说明
[0022]
图1是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法一种具体实施方式流程图；
[0023]
图2是木质素的微观形貌图；
[0024]
图3是搭建的基于石英晶体微天平的湿度传感器的测试系统示意图；
[0025]
图4是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间的动态响应曲线；
[0026]
图5是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间的灵敏度曲线；
[0027]
图6是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间的对数拟合曲线；
[0028]
图7是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间的湿滞曲线；
[0029]
图8是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到84.3％rh之间的响应/恢复曲线；
[0030]
图9是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器11.3％rh到84.3％rh之间的重复性曲线。
[0031]
图10是本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器的长期稳定性曲线图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0033]
木质素(lignin)是一种广泛存在于各种草本、木本、和维管植物中的有机物，也是仅次于纤维素的世界第二大生物质能源。木质素有着可再生、可降解、不会对环境造成污染等优点，并且木质素还含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团，具有极好的亲水性能。
[0034]
因此，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器，在其中的qcm换能器的电极表面涂覆有木质素的湿敏薄膜。
[0035]
图1是本发明中基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法一种具体实施方式流程图；
[0036]
在本实施例中，如图1所示，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器制备方法包括以下步骤：
[0037]
步骤s1：清洗qcm换能器
[0038]
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。
[0039]
其中，qcm换能器的固有频率可以是4mhz
‑
40mhz，常见的为5mhz，8mhz，10mhz和20mhz；qcm的金属电极一般采用金，银和铝。
[0040]
在本实施例中，空白(未涂覆湿敏薄膜)的qcm换能器，购买自郑州原创电子股份有限公司，石英晶片直径为8.7mm，电极材料是银，电极直径为5mm，基频为10mhz。
[0041]
步骤s2：制备木质素
[0042]
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。
[0043]
在本实施例中，乙醇/水混合溶剂的混合比例为3:1(乙醇重量为3，水重量为1)，洗涤使用乙醇/水混合溶剂，混合比例为10:1(乙醇重量为10，水重量为1).
[0044]
步骤s3：制备敏感材料分散液
[0045]
称取定量的木质素加入到定量的溶剂中，超声3
‑
5小时制成浓度为1
‑
4mg/ml的敏感材料分散液.
[0046]
在本实施例中，使用天平称取步骤s3获得的木质素20mg，然后用量筒量取20ml浓度为75％的乙醇溶液作为溶剂，混合超声4小时得到浓度为1mg/ml的敏感材料分散液。
[0047]
步骤s4：涂覆湿敏薄膜
[0048]
将步骤s1得到的qcm换能器水平放置，然后将步骤s3制备的敏感材料分散液涂覆在qcm换能器的电极表面，干燥得到湿敏薄膜，制成涂覆有木质素的湿度传感器，完成基于石英晶体微天平的湿度传感器的制备。
[0049]
在本实施例中，使用微量移液枪取3毫升敏感材料分散液滴涂在qcm换能器的电极表面中心，自然干燥10小时，制成涂覆有木质素的湿度传感器，其木质素层的厚度约为225.8nm。它的表面微观形貌图如图2所示。
[0050]
实例
[0051]
在本实例中，如图3所示，搭建基于石英晶体微天平的湿度传感器的测试系统，主要包括基于石英晶体微天平的湿度传感器、起振电路及频率计、湿度发生装置以及计算机组成。
[0052]
在本实例中，如图3所示，湿度发生装置使用不同的饱和盐溶液licl、mgcl2、nabr、nacl、kcl以及k2so4产生固定的相对湿度水平11.3％rh、32.8％rh、57.6％rh、75.3％rh、84.3％rh以及97.3％rh。将基于石英晶体微天平的湿度传感器的的引脚接入起振电路中，使用频率计记录湿度传感器的频率，计算机与频率计直接相连接。
[0053]
湿敏表现的测试：将涂覆有木质素的本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器放进响应的湿度水平中，木质素会吸收水分子，谐振电路和频率可以用来记录它的频率值，然后使用计算机中的相关的作图软件对采集的数据进行处理并绘制成相关的湿敏表现曲线。
[0054]
如图4所示，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间对湿度水平的变化响应良好。如图5是基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间频率变化约为2200hz，则其灵敏度约为25.8hz/％rh。图6是发明基于石英晶体微天平的湿度传感11.3％rh到97.3％rh之间的对数拟合曲线。它的拟合方程是y＝1.56109+0.01793*x，相关系数为0.993，显示出良好的对数关系。如图7所示，发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到97.3％rh之间最大湿滞为4.5％rh。如图8所示，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到84.3％rh之间的响应/恢复时间为17/9秒。如图9，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在11.3％rh到84.3％rh之间具有极好的重复性。如图10所示，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器在25天内的频率变化没有明显的波动，显示了很好的长期稳定性。因此，综合以上测试，本发明基于石英晶体微天平的湿度传感器可以很好地应用于湿度测量，且具有灵敏度搞、响应时间快、重复性稳定性好等优势。
[0055]
本发明采用的主要思路是：木质素中含有大量的羟基，因此，在不同的湿度环境中，木质素会自发的吸附或者脱附水分子，会产生质量变化。而qcm换能器是一种检测精度能到纳克量级的质量响应型传感器，可以将木质素的质量变化转化为频率变化体现出来。从而可以检测湿度水平。本发明为湿度水平的检测提供了一种新的思路，也扩展了木质素应用领域。
[0056]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。