基于微纳尺度霜、露观测仪器的水汽探测方法研究

水汽（湿度）测量是大气探测领域的瓶颈问题之一，在高空和低温环境进行水汽测量尤为困难。利用传统露点观测方法进行水汽测量的方法有仪器成本高、体积与质量大等局限，并且其响应速度较低，难以适应大气探测，特别是高空、低温等恶劣环境下探测的需要。本项目创造性地提出微米/纳米尺度霜/露变化的观测方法，可对水分子含量极低的对流层上部和平流层下部进行水汽探测。拟设计和制备微米/纳米尺度的测试结构，构建测试系统平台，利用微纳电学测和光学检测两种方法，解决传统露点观测方法灵敏度较低、获得平衡所需稳定时间长等局限。该方法的优势包括：(1)利用微米/纳米尺度镜片检测电极，实现极微量水分子检测；(2)系统体积重量小；(3)将温度控制元件与结露镜片集成在一块芯片中，提高镜片的温度调节速度；(4)实现铂电阻和镜片的集成，减小镜片温度测量误差；(5)提出非平衡露点温度测量方法，缩短测量周期，以利于实施探空观测。

高精度水汽测量是长期以来大气探测领域的瓶颈问题之一，在低温、腐蚀性环境等恶劣条件下进行水汽测量尤为困难。目前气象领域广泛使用的电容式相对湿度传感器，精度仅能达到约1.5%量级，在高湿、低湿、低温环境中，精度更低。尤其在低温环境下，误差可达10%以上。大气环境中的盐雾、酸雨、气溶胶、二氧化碳、紫外辐射都会引起与湿度传感器芯片上的湿敏薄膜的物理化学变化，这也是造成观测误差的重要原因。利用传统光学冷镜式露点观测方法进行水汽测量的方法有仪器成本高、体积与质量大等局限，并且其响应速度较低，无法在气象业务探测和气候变化观测中长时间稳定工作，因此难以适应大气探测，特别是高空、低温等恶劣环境下探测的需要。..针对气象探测和气候变化研究的需求，本项目创造性地提出了微米/纳米尺度霜/露变化的观测方法，不仅可满足常温环境下的大气探测需求，还可在水分子含量低的低温环境、高湿环境和腐蚀性环境中进行高精度水汽探测。本研究首次实现：..（1）提出了纳米尺度霜/露的探测方法。利用本研究中试制的传感器芯片的微米/纳米尺度探测电极和薄膜材料，成功实现了分子级厚度（纳米级厚度）的霜/露水分子探测，以支撑高精度、高响应速度的水汽探测。..（2）采用基于高稳定性衬底材料、微米尺度梳齿形金属电极和纳米尺度的耐腐蚀电介质绝缘保护膜材料，利用等离子体增强化学气相淀积、磁控真空溅射、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等微米/纳米加工工艺，试制出用于气象观测的露点/霜点传感器芯片。这种器件可承受-60℃以下的低温和80℃以上的高温环境，可承受酸、碱、盐雾、水等多种化学物质的腐蚀，有望适应全球不同地域的地面和高空气象探测需求。..（3）利用计算流体动力学方法和有限元方法，对露点/霜点传感器系统进行了数值模拟与优化设计，解决了传感器在地面和空中的热传导、层流对流、湍流对流原理设计问题。..（4）为验证探测方法的可行性，设计和试制了露点/霜点传感器测量系统，包括微弱信号检测电路、实时智能控制系统、低功耗信号处理电路、数据采集软件等核心模块。..（5）为检验探测方法的精度、稳定性、可靠性等指标，在常温和低温环境下与计量级冷镜式露点仪、高精度湿度传感器进行了比对实验。结果表明，本研究中实现的方法与传感器样机，不但在可达到0.1℃的准确度，而且在低温环境下可获得比冷镜式露点仪更高的稳定性、可靠性和响应速度，并具有耐腐蚀和耐污染