高稳定、快响应谐振式湿度传感器及其调频机制研究

Humidity monitoring and control are closely related to life health and social production. Developing a high stable and fast response humidity sensor is of great significance for life protection and production guarantee. Based on the electronic frequency modulation effect of quartz crystal, a high-performance tunable quartz crystal series LC electrode resonant transducer is constructed. On this basis, a high stable and fast response resonant humidity sensor is prepared by modifying the transducer with a humidity sensitive film. Based on circuit analysis, resonance theory and experimental research, the equivalent circuit model of quartz crystal series LC electrode transducer is constructed, and the frequency tuning mechanism of the transducer is clarified, which provides the transducer basis for the study of high-performance resonant humidity sensor. The humidity-frequency response mechanism of the sensor is revealed based on study of the influence of the initial parameters of the transducer and the parameters of the sensitive film on the stability and response speed of the resonant humidity sensor. The optimization method of the resonant humidity sensor with high stability and fast response is proposed based on the parameter control of the transducer and the design of the sensitive film. The research results of this project will provide new research ideas and practical technical solutions for the development of high-performance resonant humidity sensor.

湿度监测及控制与生命健康、社会生产密切相关，研制高稳定、快响应湿度传感器对生命保护和生产保障具有重要意义。本项目基于石英晶体电子调频效应构建高性能的可调频石英晶体串联LC电极谐振式换能器，在此基础上，利用湿度敏感膜层修饰换能器，制备高稳定、快响应谐振式湿度传感器。结合电路分析、谐振理论和实验研究构建石英晶体串联LC电极换能器等效电路模型，阐明换能器的频率调谐机制，为研究高性能谐振式湿度传感器提供换能器基础；研究换能器初始参数、敏感膜层参数对谐振式湿度传感器稳定性、响应速度等性能的影响规律，揭示传感器湿度-频率响应机制，建立基于换能器参数控制和敏感膜层设计的高稳定、快响应谐振式湿度传感器优化方法。本项目的研究结果将为研制高性能谐振式湿度传感器提供新的研究思路和切实的技术方案参考。

数字式湿度传感器具有可靠性好、可远距离接入数字系统、使用简便等优点，在湿度传感器市场得到广泛应用，研究高性能谐振式湿度传感器技术是数字式湿度传感器的重要发展方向之一。本项目基于石英晶体电子调频效应构建石英晶体串联LC电极（QCLC）谐振式换能器，通过在换能器电极区修饰湿敏薄膜，制备QCLC湿度传感器，在QCLC换能器调频原理、传感器器件制备和性能优化等方面开展系列研究工作。本项目取得的主要研究进展包括：（1）建立了计及寄生电容、漏电阻等参量的QCLC谐振式换能器等效电路模型，推导了QCLC换能器的谐振频率表达式，研究了寄生电容、漏电阻等对QCLC换能器调频性能的影响规律，揭示了QCLC换能器的调频机制。（2）研究了石英晶体负载质量调频效应，提出了计及负载物质密度的石英晶体负载模型，给出了含密度参量的石英晶体负载质量的调频关系解析式，通过验证实验检验了该解析式的有效性，阐明了计及负载物质密度的石英晶体负载质量调频机制。采用石英晶体微天平分析技术手段，探讨了多种湿敏材料的水分子吸附耦合效应。（3）提出采用雾化沉积方法制备高绝缘电阻湿敏电容，探索了基于雾化沉积技术小批量制备高绝缘电阻湿敏电容的工艺方法，考察了湿敏材料类型、微纳尺度、湿敏膜厚度，电极图形、面积、间距等不同器件参数对QCLC湿度传感器性能（如灵敏度、稳定性、响应速度等）的影响关系，提出了QCLC湿度传感器性能优化策略，制备了高稳定、快响应QCLC湿度传感器。（4）设计实现了基于FPGA硬件加速的QCLC器件频率测量系统，结合主动式频率扫描技术和阻抗分析技术，实现了QCLC器件的高稳定频率测量，提出正交下变频调制和负反馈PID频率追踪算法将测频速度提高至50ms。通过本项目的研究，明确了QCLC换能器的调频机理，掌握了QCLC湿度传感器的设计制备方法和检测技术，为发展高性能QCLC湿度传感器奠定了重要基础。