基于电喷高分子薄膜的SAWR湿敏传感器研究.pdf

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1、第26卷第10期1042010年10月农业工程学报TransactionsoftheCSAEV01．26No．10Oct．2010基于电喷高分子薄膜的SAWR湿敏传感器研究郭希山1，雷声2，李扬3，朱松明1(1．浙江大学生物系统工程与食品科学学院，农业生物环境与能源工程研究所，杭州310027；2．浙江大学生物传感器国家专业试验室，杭州310027；3．浙江大学高分子科学与工程学系，杭州310027)摘要：研究了一种具有高灵敏度、响应快速、重复性好的微型湿敏传感器，可用于植株叶面湿度检测。传感器以单端声表面波谐振器(sAwR)作为基本元件，制备在零温度系数的ST切型石英基底上以消除温

2、度影响，SAWR谐振中心频率为433MHz。使用静电喷雾的方法在器件表面形成微纳尺度的含硅聚电解质高分子粒子簇薄膜作为感湿材料。结果表明，所研制湿敏传感器具有相对湿度检测范围广(10％～97％)、灵敏度高’(500H砒RH)、响应时间短(5s)，测量精度高(可达3％)等优点。关键词：湿敏传感器，静电喷雾，含硅聚电解质，声表面波谐振器doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．10．016中图分类号：TP212．1文献标志码：A文章编号：1002—6819(2010)一10—0104—04郭希山，雷声，李扬，等．基于电喷高分子薄膜的SAWR湿敏传感器研究[J]．

3、农业工程学报，2010，26(10)：104—107．GuoXishan，LeiSheng，LiYang，eta1．Surfaceacousticwavehumiditymicrosensorbased011electrospmypolymerfilm[．I】．TransactionsoftheCSAE。2010，26(10)：104—107．(inChinesewithEnglishabstract)0引言植株叶面作为一个独立的微环境域1¨，与作物生长关系密切。植株叶面湿度情况反映了作物水分蒸发蒸腾作用【2l，以植株叶面湿度作为灌溉依据比土壤水分指标更为可靠。因此快速准确获取植株叶

4、面湿度信息对于及时掌握作物水分供给状况具有重要意义。由于植株叶面面积小，能承受质量有限，且布线测量造成诸多不便，因此要求湿度传感器在具有高灵敏度、响应快速的同时，还需具备体积小、质量轻、非接触测量等特点。目前，湿度传感器研究主要包括陶瓷、电解质和高分子3类。陶瓷湿敏材料机械强度高、结构稳定，但由于陶瓷表面和水分子有强烈的化学吸附，需加热至400℃后传感器才可重复使用，这导致传感器响应较慢和测量不便【31。电解质湿敏材料感湿范围较小、寿命短、怕结露，难以在高湿和低湿环境下使用【4】。高分子复合湿敏材料具有灵敏度高、成本低、制备简易等优点，且感湿原理为整体效应(bulkeffect)，吸

5、附于表面的其他化学分子对传感器灵敏度的影响较小，因此高分子湿度传感器成为近年来研究的热点p剖，但目前设计不同高分子复合材料增加感湿范围、掺杂抗水性材料提高耐高湿能力等问题，仍有待于进～步深入研刭71。此外，目前大部分湿度传感器湿敏膜多用旋涂或滴涂方法，这导致湿敏膜感测湿度变化时，水分子通常采收稿日期：2010-04．14修订日期：2010-09-08基金项目：863项目(2006AAl02215)；浙江省自然基金项目(Y2090710)作者简介：郭希山(1975一)，男，山东l临沂人，博士，副教授，主要从事微纳传感器、农业生物环境检测及食品安全检测等研究。杭州浙江大学生物系统T程与食

6、品科学学院，农业生物环境与能源工程研究所，310027。Email：guoxs@,zju．edu．∞，用缓慢地渗透、扩散方式进入湿敏膜内部，使得传感器灵敏度、响应时间受到极大的限制。针对上述问题，本文提出以单端声表面波(surfaceacousticwave，SAW)谐振器作为基本换能元件，使用静电喷雾法在器件表面形成具有微纳尺度的含硅聚电解质高分子粒子簇作为感湿材料，制得微型湿度传感器。SAW是一种沿着固体浅表面传播的弹性波，其能量90％限制在一个波长的深度内，这使得SAW对表面扰动特别敏感，作为传感器使用时可获得高灵敏度【8】；采用电喷方法得到的含硅聚电解质高分子湿敏薄膜具有比表

7、面积大和多孔结构，吸湿一脱湿性能良好。因此本文研制的湿度传感器灵敏度高、响应快、体积小，且传感器输出为数字信号，易于测量和无线传输，可用于植株叶面湿度快速、灵敏、非接触测量。1单端SAWR器件制备、测试1．1器件制备SAWR(surfaceacousticwaveresonator，声表面波谐振器)器件较延迟线型SAW器件具有更高的Q值，振荡频率稳定性高，SAWR传感器灵敏度更副91。本文以单端SAWR作为湿度传感器基本元件，为降低环境温度干扰，以零温度系