涂敷脲醛树脂的石英晶体微天平湿度传感器

　　相对湿度是指待测空气的水汽压与相同温度下的饱和水汽压的比值。在实际生活中，例如: 气象、临床、农业、生物技术和制造业等领域，准确、可靠地测量和记录空气相对湿度的变化过程具有重要的意义[1]。

　　目前，大部分的工农业生产中，用于湿度检测的传感器包括: 阻抗型传感器[2]、电容型传感器[3]、声表面波传感器[4]等。随着新材料，新工艺和新技术的出现，传感器的种类越来越多，性能更趋完善，使传感器向小型化、微型化、多功能化发展，并且具有稳定性好、使用方便，价格低廉等优点[5]。

　　QCM( Quartz Crystal Microbalance) 是一种质量敏感元件，对于相对湿度检测，QCM 也是一种有效的检测方法，且具有稳定、灵敏度高等特点。其对质量的变化可达到纳克级( 10-9 g) 质量检测精度。Saurebrey 方程[6]给出了石英晶体的质量-频率变化关系，当在石英晶体表面增加一层薄膜后，薄膜质量引起的频率变化:

　　式中f 为石英晶体的固有频率; Δm 为涂于石英晶体表面的薄膜质量; A 为电极的面积。因此，通过在石英晶体上涂敷湿度敏感材料实现对水气的吸附与解吸附效应，达到测量相对湿度。

　　由于QCM 的作用原理是建立在石英晶体表面上的敏感涂层对目标分子的选择性吸附基础上的，因此，涂层敏感材料的选择成为制作传感器的一个要点。目前湿度传感器敏感膜材料，一般有三种类型: ①无机纳米材料作为湿度敏感材料[7-9]，传感器灵敏度高、重现性好，但是敏感膜材料合成难度大，固定也比较困难。②水溶性有机聚合物、水溶性的有机小分子作为敏感材料[10-12]，传感器在低湿度检测时灵敏度高，但在高湿度时因为敏感材料的溶解而失去线性。③使用一些含有羟基、氨基、磺酸基等亲水性基团的的非水溶性聚合物作为敏感材料[13-15]，这种材料制作的传感器，具有湿滞性小、响应速度快、灵敏度高、线性范围宽的优点。因此寻找一些亲水性强但不溶于水的新型聚合物作为QCM湿度传感器的敏感材料意义重大。

　　脲醛树脂( UFR) 是一种含有较高密度的亲水性基团( 氨基) 的高分子化合物，其结构单元如图1所示，该高分子中的氮原子可与水分子形成氢键，故与水分子之间有较好的亲和性，导致其对水具有独特的敏感性。其化学性质稳定，吸附与脱附的可逆性好，可作为湿度传感器的敏感材料。

　　本文研究以UFR 作为敏感膜的QCM 在湿度传感器中的应用。主要从涂敷UFR 的质量等因素考察石英晶体湿度传感器的灵敏度、湿度响应特性、重复性以及稳定性等方面性能。