亲水极性有机敏感膜及qcm湿度传感器系统研究

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1、亲水极性有机敏感膜及QCM湿度传感器系统研究PolarOrganicSensitiveFilmwithHydrophilicinQCMHumiditySensorSystem学科专业：微电子学与固体电子学作者姓名：马金鑫指导教师：王秀宇副教授天津大学电子信息工程学院二零一五年十一月摘要QCM湿度传感器是将湿度敏感材料涂覆于晶片表面，利用QCM对微质量的敏感特性设计而成的湿度检测装置，是目前传感器研究领域的一个热点。该传感器具有响应快、灵敏度高等特点，因此广泛应用于航天、医疗等领域。本课题组长期从事电子封装材料的研究，发现当聚酰亚胺（PI）与环氧

2、树脂（EP）、酚醛树脂（PF）与环氧树脂（EP）两种复合膜的质量之比分别为4:1和7:2时，亲水性能较好，可作为湿度传感器的敏感材料。本研究课题拟以PI/EP和PF/EP复合膜作为有机敏感膜，结合QCM微质量测量技术，采用FPGA数据采样平台，设计并研制出一种湿度传感器探测系统，能快速而稳定地测量出环境中的湿度。首先，进行QCM振荡电路的搭建。根据QCM压电效应与等效电路，确定QCM振荡电路的方法为普通振荡法。采用比较器芯片（MAX913）进行输出级电路设计，实现弦波信号到TTL信号的转换。经测试，该振荡电路可输出频率变化在±2Hz以内的稳定方

3、波信号。其次，进行FPGA信号采集平台的软硬件设计。以EP2C5T144芯片为控制核心，搭建FPGA信号采集平台的整体电路（包括频率检测模块、数据通讯模块以及显示模块）。通过Verilog语言与modelsim软件，实现各模块的程序设计与功能仿真。经串口调试工具对数据进行采样，验证PC端可正确显示8位数据。红外光谱分析表明，PI/EP复合膜的羟基(-OH)峰比PF/EP的强，即PI/EP复合膜亲水性较好，通过润湿角实验进一步证明了这一点。因此，实验中主要以PI/EP复合膜作为湿度传感器的敏感材料，并研究了敏感探头的制作工艺，确定了以滴涂法为主并

4、结合甩胶机进行甩胶的敏感膜涂覆方法。最后，对所研制的湿度传感器探测系统进行性能测试。实验中用5种饱和盐溶液（LiCl溶液—11%RH，MgCl溶液—34%RH，K2CO3溶液—43%RH，NaCl溶液—76%RH，KCl溶液—87%RH）作为湿度发生装置，对测试系统各项性能进行测试。结果表明，该湿度检测系统的灵敏度为23Hz/RH%，吸附时间约为20s，脱附时间约为25s，满足湿度传感器测试系统的预期要求。关键词：潮湿环境，有机敏感膜，石英晶体微天平，振荡电路，响应时间ABSTRACTQCMhumiditysensorusesmoisture-

5、sensitivefilmonquartzcrystalsurfaceassensitiveelementtodetecthumidity.QCMsensorisanewtypeofmeasurementtechnologyasaresearchhotspotinthefieldofsensor.Ithasfastresponseandhighsensitivity.SoitiswidelyusedinthefieldofAerospaceandmedical.Theresearchgrouphaslongbeenengagedinelectr

6、onicpackagingmaterials.Theyhavewellhydrophilicpropertieswhenthequalityofthetwocompositefilmswere4:1and7:2aboutthepolyimide(PI)andepoxyresin(EP)orphenolicresin(PF)andepoxyresin.ThisresearchusesPI/EPandPF/EPcompositefilmasasensitivefilm,combinedQCMtechnology,FPGAplatform,desig

7、nsanddevelopsahumiditysensordetectionsystemthatcanquicklyandstablymeasureenvironmenthumidity.First,buildstheQCMoscillationcircuit.Theoscillationcircuitisdeterminedbyordinaryoscillation.Usingacomparatorchip(MAX913)foroutputstagecircuitdesigntoachieveastablesquare-wavesignalwi

8、thin±2HzofFrequencychange.Secondly,designshardwareandsoftwareofFPGAplatform