基于功能化石墨烯敏感材料的高稳定QCM湿度传感器研究

Precision measurements and controls of relative humidity is of great demand in many fields, such as industrial and agricultural production, meteorology, environmental protection，aerospace and national defense,etc. Due to its advantages of high sensitivity, wide measuring range, digtal frequency signal output,quartz crystal microbalance humidity sensor shows a great application prospect in the area of humidity detection. However, the research and analysis on the coupling mechanism between humidity sensing material and QCM transducer are the precondition and guarantee of the development of high performance QCM humidity sensors. This project provides a deep reseach on the coupling mechanism between humidity sensing material and QCM transducer and establishes the corresponding physical model to analyze the sensor's performance. On this basis, a novel functional graphene will be used as the modified material of QCM transducer for constructing high performance QCM humidity sensor. Meanwile, the effect of oxygen content of functional graphene on the sensor's performances will be discussed, and a corresponding model will be given to estimate the sensor's performances.This project will provide the theory and technology foundation for developing high performance QCM humidity sensor..

在工农业生产、气象、环保、航天及国防等诸多领域，需要对湿度进行精确的检测及控制。QCM湿度传感器以其高灵敏度、宽量程、直接数字信号输出等优势，显示出在湿度探测领域的极大应用前景。而对敏感材料与QCM换能器件耦合机制的研究分析是研制高性能QCM湿度传感器的前提和保证。本项目从深层次研究湿度敏感材料与QCM换能器件耦合机制，并建立相应的传感器物理模型用于分析传感器性能；在此基础上，采用一种新型功能化石墨烯材料作为QCM换能器的修饰材料，构建高性能QCM湿度传感器。探讨功能化石墨烯的含氧量因素对传感器性能的影响，并建立相应的模型完成对传感器性能的预测。本项目的研究结果将为高性能QCM湿度传感器的研制奠定理论和技术基础。

在工农业生产、气象、环保、航天及国防等诸多领域，需要对湿度进行精确的检测及控制。QCM湿度传感器以其高灵敏度、宽量程、直接数字信号输出等优势，显示出在湿度探测领域的极大应用前景。本项目围绕构建一种高稳定QCM湿度传感器这一目标而展开。通过对敏感材料和QCM换能器件耦合机制的研究，建立了一种改进型BVD等效电路模型用于分析解释上述机制，并采用阻抗分析辅助分析方法来定量分析研究QCM传感器的湿度敏感行为。在此理论基础上，采用一种新型功能化石墨烯材料作为QCM换能器的修饰材料，构建高性能QCM湿度传感器。探讨了功能化石墨烯的含氧量因素对传感器性能的影响。研究表明：由于功能化石墨烯薄膜具有其独特的结构，骨架为憎水型碳六元环，水吸附点连接在骨架碳原子上，非常适用于构建高稳定QCM湿度传感器。同时其湿度响应灵敏度和稳定性指标可以通过调节功能化石墨烯的含氧量来实现。另外，研究还发现功能化石墨烯由于富含氧官能团，可以通过与其他敏感材料复合的方式从而实现增敏。最后，项目探索性研究了基频和电极结构对QCM传感器的邻近效应的影响机制，该种敏感有望应用于QCM湿度传感器的增敏。本项目的上述研究结果将为高性能QCM湿度传感器的研制奠定理论和技术基础。