本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種自供電柔性濕度傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、柔性濕度傳感器作為一種基礎(chǔ)型可穿戴電子器件，能夠有效監(jiān)測(cè)環(huán)境或動(dòng)植物體表的濕度變化，在醫(yī)療監(jiān)測(cè)、人機(jī)界面、情緒分析、體育活動(dòng)和安全生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前的柔性濕度傳感器主要是基于電容式、電阻式、阻抗式和電壓式四類(lèi)，其中基于電容式、電阻式、阻抗式的濕度傳感器需要外部電源供電，這會(huì)限制器件的使用壽命，并造成環(huán)境污染問(wèn)題?；陔妷菏降娜嵝詽穸葌鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)無(wú)需外部電源供電，能夠有效的簡(jiǎn)化傳感電路，更好的滿足低功耗、小型化和集成化的要求，在濕度傳感領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，基于電壓式的自供電濕度傳感器其傳感性能和供電性能難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，有待進(jìn)一步提升。因此，開(kāi)發(fā)自供電柔性濕度傳感器對(duì)傳感技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種自供電柔性濕度傳感器及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的自供電柔性濕度傳感器能夠?qū)h(huán)境中的水分信息轉(zhuǎn)換成電能并實(shí)現(xiàn)對(duì)水分信息的監(jiān)測(cè)，有效降低功耗和簡(jiǎn)化傳感電路，為傳感器的便攜、微型和集成化發(fā)展提供方向。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種自供電柔性濕度傳感器，包括依次層疊設(shè)置的柔性襯底、底電極、多孔復(fù)合功能層（pva/koh/go）以及頂電極，所述多孔復(fù)合功能層包括聚乙烯醇（pva）、氫氧化鉀（koh）和氧化石墨烯（go）。

4、優(yōu)選地，所述聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯的質(zhì)量比為300:0~600:0.08，且所述氫氧化鉀的質(zhì)量不為0。

5、優(yōu)選地，所述聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯的質(zhì)量比為300:30~300:0.08。

6、優(yōu)選地，所述多孔復(fù)合功能層的厚度為200nm~1μm。

7、優(yōu)選地，所述底電極的厚度為20~100nm。

8、優(yōu)選地，所述頂電極的厚度為200nm~0.05mm。

9、優(yōu)選地，所述柔性襯底為聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的材質(zhì)為聚酰亞胺(pi)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)。

10、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

11、在柔性襯底的表面制備形成底電極；

12、將聚乙烯醇、氫氧化鉀、氧化石墨烯和水混合，得到多孔復(fù)合功能層溶液；

13、將所述多孔復(fù)合功能層溶液涂覆在所述底電極的表面，然后干燥，形成所述多孔復(fù)合功能層；

14、在所述多孔復(fù)合功能層的表面制備形成頂電極，得到所述自供電柔性濕度傳感器。

15、優(yōu)選地，所述干燥的溫度為85~130℃，時(shí)間為30~60min。

16、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的自供電柔性濕度傳感器在水分信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

17、本發(fā)明提供了一種自供電柔性濕度傳感器，包括依次層疊設(shè)置的柔性襯底、底電極、多孔復(fù)合功能層以及頂電極，所述多孔復(fù)合功能層包括聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

19、本發(fā)明中，pva對(duì)水分子具有良好的吸附與解吸作用，是作為濕度發(fā)電機(jī)發(fā)電材料的良好選擇，go為濕度敏感材料，吸水可以電離出氫離子，koh對(duì)水分子具有吸附作用，可以吸附更多的水分子。本發(fā)明中由pva、koh和go制備的多孔復(fù)合薄膜吸水后電離出氫離子，氫離子由于多孔薄膜上下表面的濃度梯度發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電壓，以實(shí)現(xiàn)自供電濕度傳感。本發(fā)明將環(huán)境中的水分信息轉(zhuǎn)換成電能并實(shí)現(xiàn)對(duì)水分信息的監(jiān)測(cè)，有效降低功耗和簡(jiǎn)化傳感電路，為傳感器的便攜、微型和集成化發(fā)展提供方向，即本發(fā)明制備的傳感器無(wú)需外部供電即可工作，而且產(chǎn)生的電壓還可以供外部電路使用，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境；同時(shí)，本發(fā)明以pva為主導(dǎo)，koh和go作為摻雜材料，改善基于pva濕度傳感器的性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能的基于電壓式的自供電柔性濕度傳感器具有重要的意義；且本發(fā)明的自供電柔性濕度傳感器器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠與任意表面高度貼合。

20、進(jìn)一步地，本發(fā)明限定了多孔復(fù)合功能層中聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯的質(zhì)量比，相對(duì)于傳統(tǒng)的非多孔聚合物薄膜，具有更大的比表面積和孔隙率，利用多孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)薄膜對(duì)水分的吸附和解離，可以更大程度的提升器件對(duì)水分的吸收和解離速度，有效地改善器件的輸出電壓/電流、靈敏度、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，綜合提升器件的傳感性能和供電性能，制備出高靈敏度、寬濕度檢測(cè)范圍的濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中水分信息的原位無(wú)損實(shí)時(shí)可持續(xù)性監(jiān)測(cè)。

21、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述自供電柔性濕度傳感器的制備方法，本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，包括依次層疊設(shè)置的柔性襯底、底電極、多孔復(fù)合功能層以及頂電極，所述多孔復(fù)合功能層包括聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯的質(zhì)量比為300:0~600:0.08，且所述氫氧化鉀的質(zhì)量不為0。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述聚乙烯醇、氫氧化鉀和氧化石墨烯的質(zhì)量比為300:30~300:0.08。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述多孔復(fù)合功能層的厚度為200nm~1μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述底電極的厚度為20~100nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述頂電極的厚度為200nm~0.05mm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述柔性襯底為聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的材質(zhì)為聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。

8.權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述干燥的溫度為85~130℃，時(shí)間為30~60min。

10.根據(jù)權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的自供電柔性濕度傳感器在水分信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種自供電柔性濕度傳感器及其制備方法和應(yīng)用，屬于傳感器領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種自供電柔性濕度傳感器，包括依次層疊設(shè)置的柔性襯底、底電極、多孔復(fù)合功能層以及頂電極，所述多孔復(fù)合功能層包括聚乙烯醇(PVA)、氫氧化鉀(KOH)和氧化石墨烯(GO)。本發(fā)明利用PVA和GO吸水電離出氫離子，利用氫離子的遷移產(chǎn)生電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水分子的快速吸附和解吸，實(shí)現(xiàn)自供電濕度傳感。本發(fā)明將環(huán)境中的水分信息轉(zhuǎn)換成電能并實(shí)現(xiàn)對(duì)水分信息的監(jiān)測(cè)，有效降低功耗和簡(jiǎn)化傳感電路，為傳感器的便攜、微型和集成化發(fā)展提供方向，即本發(fā)明制備的傳感器無(wú)需外部供電即可工作，而且產(chǎn)生的電壓還可以供外部電路使用，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。

技術(shù)研發(fā)人員：汪秀梅,章旋,楊輝煌,李佳琳,楊志遠(yuǎn),劉聰,丁俊杰,馬宜博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19