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)測環(huán)境或動植物體表的濕度變化，在醫(yī)療監(jiān)測、人機界面、情緒分析、體育活動和安全生產(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，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，這會限制器件的使用壽命，并造成環(huán)境污染問題。基于電壓式的柔性濕度傳感器工作時無需外部電源供電，能夠有效的簡化傳感電路，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際應(yīng)用的需求，有待進一步提升。因此，開發(fā)自供電柔性濕度傳感器對傳感技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

技術(shù)實現(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)換成電能并實現(xiàn)對水分信息的監(jiān)測，有效降低功耗和簡化傳感電路，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時監(jiān)測領(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對水分子具有良好的吸附與解吸作用，是作為濕度發(fā)電機發(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)換成電能并實現(xiàn)對水分信息的監(jiān)測，有效降低功耗和簡化傳感電路，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、保護環(huán)境；同時，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，對實現(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)簡單，能夠與任意表面高度貼合。

20、進一步地，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)增強薄膜對水分的吸附和解離，可以更大程度的提升器件對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、寬濕度檢測范圍的濕度傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境中水分信息的原位無損實時可持續(xù)性監(jiān)測。

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)明的制備方法簡單，易于實現(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苯二甲酸乙二醇酯。

8.權(quán)利要求1~7任一項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℃，時間為30~60min。

10.根據(jù)權(quán)利要求1~7任一項所述的自供電柔性濕度傳感器在水分信息實時監(jiān)測領(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，以實現(xiàn)對水分子的快速吸附和解吸，實現(xiàn)自供電濕度傳感。本發(fā)明將環(huán)境中的水分信息轉(zhuǎn)換成電能并實現(xiàn)對水分信息的監(jiān)測，有效降低功耗和簡化傳感電路，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,劉聰,丁俊杰,馬宜博
受保護的技術(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