【摘 要】
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近年来,随着精准湿度检测在农业种植、医疗监护、气象预报以及工业制造等诸多领域的需求日益旺盛,湿度传感器引起了国内外研究人员的广泛关注。当前市面上和研究报道的湿度传感器类型多种多样,其中小型化、可实时监测、数字传输的湿度传感器格外受人青睐。石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）是一种高灵敏质量型传感器,能够检测纳克级的表面质量变化,兼具有装置简单、易赋能、成
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近年来,随着精准湿度检测在农业种植、医疗监护、气象预报以及工业制造等诸多领域的需求日益旺盛,湿度传感器引起了国内外研究人员的广泛关注。当前市面上和研究报道的湿度传感器类型多种多样,其中小型化、可实时监测、数字传输的湿度传感器格外受人青睐。石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance,QCM）是一种高灵敏质量型传感器,能够检测纳克级的表面质量变化,兼具有装置简单、易赋能、成本低廉的特点,是一种较为理想的湿度传感器。QCM传感器的敏感材料无需严格的电学性质,其物化特性在一定程度决定了传感器性能,因此对敏感薄膜的研究在QCM湿度传感器发展中至关重要。人们常将Sauerbrey方程作为QCM传感器设计的理论基础,但在计算过程中需将敏感薄膜假设为刚性的且仅能得到传感器的灵敏度特性。本文采用三维有限元分析法研究敏感薄膜对QCM湿度传感器各项性能的影响,并提出采用以纳米纤维素晶体（Cellulose Nanocrystals,CNC）为基体,掺杂纳米金刚石（Nanodiamond,ND）的复合材料制成敏感薄膜的新型QCM湿度传感器。主要研究内容及结论如下:通过对QCM湿度传感器建模仿真分析,分别讨论了敏感薄膜的质量和粘度变化对QCM的谐振位移、振动模态以及阻抗特性的影响,并研究了敏感薄膜质量和粘度同时变化对QCM传感器各项性能的影响。结果表明,谐振频率的偏移与薄膜质量变化密切相关,而谐振器的位移、电导以及稳定性则受薄膜粘度变化影响较大。当敏感薄膜的质量和粘度共同变化时,二者对QCM传感器的影响基本满足叠加关系。以ND/CNC复合材料修饰QCM制成新型湿度传感器,通过自主搭建的湿度检测系统对不同质量比的复合材料所修饰的QCM进行性能对比测试,并做了机理分析。结果表明,ND/CNC相较于功能化之前有了更多的表面活性位点,基于质量比为1:1的ND/CNC复合材料的QCM湿度传感器的灵敏度最高为54.1Hz/%RH。其湿滞特性仅为3.2%RH,响应/恢复时间17/3 s,并拥有良好的重复性以及长期稳定性。
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