▎ 摘　　要

湿度传感器作为常见的传感器之一,广泛应用于气象学、工业过程控制、农业种植和食物仓储等领域。随着物联网的发展,新兴的湿度传感器应用领域比如智能家居与健康医疗等,除了对湿度传感器的湿度响应性能有要求外,还对湿度传感器提出了智能化、集成化、微型化以及低成本化的需求。目前,实现湿度传感器微型化及低成本化最有效的途径是利用MEMS技术来制备MEMS湿度传感器,而MEMS湿度传感器中的压电谐振式湿度传感器相比于其他类型的MEMS湿度传感器,具有灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强、测试量程大及测试信号准数字型输出等优势,更适合应用到物联网中。针对目前在研的MEMS压电谐振式湿度传感器存在综合湿度响应性能有待提高、湿敏材料在器件表面涂覆工艺重复性差、湿度响应分析缺少理论与实验验证、以及器件难以进一步集成与微型化的问题,本文以能与CMOS工艺相兼容的AlN薄膜作为压电材料,结合表面重掺杂的Si组成AlN/Si层状结构,来制备具有良好化学与热稳定性的压电谐振器,同时以亲水性能好、吸水脱水速度快的氧化石墨烯(GO)碳纳米薄膜作为湿敏材料,围绕覆膜压电谐振器的综合湿度响应性能、GO膜在压电谐振器表面的涂覆工艺、覆膜器件具体的湿度响应机理以及更小尺寸的压电谐振器作为湿度感应平台的探索方面开展了 一系列研究。首先通过在AlN声表面波(SAW)谐振器表面滴涂GO溶液,初步探索了 AlN压电谐振器结合GO薄膜在湿度检测过程中的综合性能表现,结果表明该湿度传感器除了在测试灵敏度(包括绝对灵敏度和相对灵敏度)和热稳定性(温度频率系数)方面要优于同类的SAW湿度传感器以外,还具有湿度测量范围大(5%RH-95%RH)、湿度迟滞小(小于3%RH)、测试稳定重复性好、响应与恢复速度快,以及对湿度选择性好等优势。接着利用GO溶液自身的表面张力,实现了均匀且厚度可控GO膜的制备,转移到SAW谐振器表面,有效地提高了覆膜器件之间的测试重复性,并通过对比实验得到,增加GO膜的厚度及GO的氧化程度可以提高覆膜器件的测试灵敏度。在此基础上,改进现有真空抽滤法制备了大尺寸的均匀GO膜,用于解决表面张力法制备的GO膜不适用于湿度传感器大批量加工的问题,以及进一步提高覆膜器件之间的测试重复性,同时对比不同SAW谐振器(谐振频率不同)在覆着相同厚度GO膜后的湿度响应性能,得到增加SAW谐振器的谐振频率也可以提高覆膜器件的测试灵敏度。在分析得到GO膜导电性、粘弹性及质量变化是引起覆膜器件谐振频率发生偏移的三种可能原因的基础上,通过交流复阻抗分析法分析覆着GO膜的叉指电极器件的复阻抗谱,研究了环境湿度变化及测试信号频率对GO膜电学性能的影响,并利用电子-离子混合导电理论分析了湿度变化引起GO膜电学性能发生改变的原因。随后基于QCM器件覆着GO膜前后其Mason模型对应的等效电路学模型,建立了 GO膜的剪切模量及质量与覆膜QCM器件电学参数之间的联系,并通过实验结果计算得到在湿度变化过程中,GO膜剪切模量与质量的大小及变化。将GO膜导电性、粘弹性(剪切模量)及质量变化换算成对应覆膜SAW谐振器的谐振频率变化,得到GO膜质量变化引起覆膜SAW谐振器谐振频率的变化,是该类湿度传感器最主要的湿度响应特性。最后通过实验验证了覆膜器件产生非线性湿度响应(对应GO膜质量的非线性增加),是由于在湿度增大过程中渗入GO膜内部的水分子增大了 GO膜的层间距,致使GO膜吸水能力增加而引起的。选用微压电悬臂梁谐振器替代SAW谐振器作为湿度感应平台,来解决SAW谐振器因其自身尺寸相对较大而难以进一步微型化和阵列化的问题,结果表明谐振式微压电悬臂梁湿度传感器在器件尺寸比SAW谐振式湿度传感器小一个数量级的情况下,具有比SAW谐振式湿度传感器更高的相对灵敏度。同时在分析该湿度传感器湿度响应特性的基础上,分别采用减小器件等效质量法及高阶模态法进一步提高了器件的相对灵敏度和绝对灵敏度。最后将谐振式微压电悬臂梁湿度传感器集成在呼吸面罩中,结合闭环自激振荡检测电路用于人体呼吸监测,并通过模拟实验验证了该呼吸监测系统可以对人体的呼吸频率及呼吸模式进行有效地监测。