CN105067682A - 一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性电容式湿度传感器，该湿度传感器包括柔性衬底、第一金属电极板、氧化石墨烯薄膜层和第二金属电极板，其中，第一金属电极板和第二金属电极板分别固定连接在柔性衬底的顶面；氧化石墨烯薄膜层填充在第一金属电极板和第二金属电极板之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板的顶面和第二金属电极板的顶面。该湿度传感器具有灵敏度高，响应速度快，湿滞回差小，结构简单，长期稳定性好等优点，且能够广泛使用于生物医学、可穿戴设备等领域。

Description

一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种湿度传感器，具体来说，涉及一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器在军事、气象、农业、工业控制、医疗器械等许多领域有着广泛的应用。在过去的几十年里，有许多针对电容式、电阻式、压阻式、光学式等类型湿度传感器的研究。在商用领域中，电容式湿度传感器应用最为广泛，这是因为电容式湿度传感器灵敏度高、制造成本低、动态响应时间短、热损耗极小等特点。但是常规的电容式湿度传感器通常是刚性的，不适于在人体等场合使用。

现有的电容式湿度传感器的结构基本采用上下电极板、中间绝缘介质层结构，且中间绝缘介质层是湿度敏感元件。这样由于湿度敏感元件只有四周侧面才能与环境接触，导致与环境接触的部分面积受到很大的限制从而降低了湿度传感器的灵敏度，如果增加中间绝缘介质层的厚度而增大与环境的接触面积，又会导致湿度传感器的尺寸不能满足实际要求。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法，该湿度传感器具有灵敏度高、响应速度快、结构简单，且能够广泛使用于生物医学、可穿戴设备等领域。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：

一种柔性电容式湿度传感器，该湿度传感器包括柔性衬底、第一金属电极板、氧化石墨烯薄膜层和第二金属电极板，其中，第一金属电极板和第二金属电极板分别固定连接在柔性衬底的顶面；氧化石墨烯薄膜层填充在第一金属电极板和第二金属电极板之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板的顶面和第二金属电极板的顶面。

作为优选，所述的第一金属电极板和第二金属电极板分别位于柔性衬底顶面的两端。

作为优选，所述的氧化石墨烯薄膜层覆盖在第一金属电极板的部分顶面和第二金属电极板的部分顶面。

作为优选，所述的柔性衬底由LCP制成。

作为优选，所述的第一金属电极板和第二金属电极板通过腐蚀金属薄层的方法制成。

一种上述的柔性电容式湿度传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：在单面覆有金属薄层的柔性衬底的两端分别涂上光刻胶；

第二步：对未被光刻胶覆盖的金属薄层进行腐蚀，位于光刻胶下方的金属薄层分别构成第一金属电极板和第二金属电极板；

第三步：去除光刻胶；

第四步：在第一金属电极板的顶面和第二金属电极板的顶面分别贴上胶布；

第五步：在柔性衬底、第一金属电极板、第二金属电极板和胶布的表面旋涂氧化石墨烯，构成氧化石墨烯层；

第六步：撕去胶布及位于胶布上方的氧化石墨烯层，剩下的氧化石墨烯层构成氧化石墨烯薄膜层，从而制成湿度传感器。

作为优选，所述的第一步中，柔性衬底由LCP制成。

作为优选，所述的第四步中，胶布分别覆盖第一金属电极板的部分顶面和第二金属电极板的部分顶面。

有益效果：与现有的刚性湿度传感器相比，本发明实施例具有以下有益效果：湿度传感器衬底可弯曲变形，在衬底弯曲变形的情况下能够很好的工作，适应表面不平的待测物体。利用柔性材料LCP和氧化石墨烯分别制成湿度传感器的衬底和湿敏元件。当表面的氧化石墨烯薄膜层吸收空气中的水蒸气时，导致其介电常数发生变化，继而电容值也会发生相应的变化通过两端电极输出，最后达到测出外在环境湿度的目的。由于湿度传感器在衬底弯曲变形的情况下依然可以很好的工作，弥补了传统刚性湿度传感器的缺陷。由于本实施例的湿度传感器采用氧化石墨烯薄膜层作为湿度敏感介质，氧化石墨烯结构中含有亲水基团，而且氧化石墨烯表面具有褶皱。相比平坦的形貌，这种褶皱形貌的单位面积上含有更多的亲水基团，有利于水汽分子的吸附与脱附，所以基于氧化石墨烯的电容式相对湿度传感器灵敏度高，响应速度快。又由于本实施例的湿度传感器中，第一金属电极板和第二金属电极板左右放置，使得中间绝缘阶层，即氧化石墨烯薄膜层，与环境接触的面积增大，可以吸收到环境中更多水蒸气。这也提高了传感器的响应速度。同时该湿度传感器只有衬底和电容器两层结构，所以结构非常简单。该湿度传感器制备容易、成本低廉，可以广泛使用在生物医学和可穿戴设备领域。

附图说明

图1为本发明实施例中湿度传感器的剖视图；

图2是本发明实施例中制备方法第一步的结构示意图；

图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构示意图；

图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构示意图；

图5是本发明实施例中制备方法第四步的结构示意图；

图6是本发明实施例中制备方法第五步的结构示意图；

图7是本发明实施例中制备方法第六步的结构示意图。

图中有：柔性衬底1、第一金属电极板2、氧化石墨烯薄膜层3、第二金属电极板4、胶布5、金属薄层6、光刻胶7、氧化石墨烯层8。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种柔性电容式湿度传感器，包括柔性衬底1、第一金属电极板2、氧化石墨烯薄膜层3和第二金属电极板4。第一金属电极板2和第二金属电极板4分别固定连接在柔性衬底1的顶面。氧化石墨烯薄膜层3填充在第一金属电极板2和第二金属电极板4之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板2的顶面和第二金属电极板4的顶面。

上述结构的电容式湿度传感器的工作过程是：当氧化石墨烯薄膜层3吸收到外部环境中的水蒸气时，氧化石墨烯薄膜层3自身的介电常数发生变化，从而导致电容式湿度传感器的电容发生相应的变化，最后达到测出环境中湿度的目的。根据平行电容极板电容计算公式可以得出：当氧化石墨烯薄膜层3的介电常数发生变化，湿度传感器的的电容也会发生相应的变化。公式中，C表示电容，A表示平行极板之间的面积；d表示平行极板之间的距离，ε表示中间绝缘介质层的介电常数。

上述结构的电容式湿度传感器中，作为湿度敏感元件的氧化石墨烯薄膜层3，填充在第一金属电极板2和第二金属电极板4之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板2的顶面和第二金属电极板4的顶面。这样，氧化石墨烯薄膜层3的顶面是和外部环境接触的，大大增加了与外部环境的接触面积，有利于提高传感器的灵敏度。

上述结构的电容式湿度传感器，作为优选，所述的柔性衬底1由LCP制成。本实施例采用LCP材料制成柔性衬底1，是因为LCP材料是一种具有低吸湿性的柔性材料。在现有常用的有机柔性材料中，LCP的低吸湿性是最好的。所以采用LCP作为湿度传感器的衬底，可以最大限度地避免柔性衬底材料吸收环境中的水蒸气，对湿度敏感元件吸湿工作时的影响。

作为优选，所述的第一金属电极板2和第二金属电极板4分别位于柔性衬底1顶面的两端。将第一金属电极板2和第二金属电极板4置于柔性衬底1顶面两端，可以增大湿度敏感元件与外部环境的接触面积，从而提高湿度传感器的灵敏度。

作为优选，所述的氧化石墨烯薄膜层3覆盖在第一金属电极板2的部分顶面和第二金属电极板4的部分顶面。氧化石墨烯薄膜层3覆盖在第一金属电极板2的部分顶面和第二金属电极板4的部分顶面，使得第一金属电极板2的顶面和第二金属电极板4的顶面分别留出引线区域，便于连接引线。

作为优选，所述的第一金属电极板2和第二金属电极板4通过腐蚀金属薄层的方法制成。

一种上述的柔性电容式湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：在单面覆有金属薄层6的柔性衬底1的两端分别涂上光刻胶7；

第二步：对未被光刻胶7覆盖的金属薄层6进行腐蚀，位于光刻胶7下方的金属薄层6分别构成第一金属电极板2和第二金属电极板4；

第三步：去除光刻胶7；

第四步：在第一金属电极板2的顶面和第二金属电极板4的顶面分别贴上胶布5；

第五步：在柔性衬底1、第一金属电极板2、第二金属电极板4和胶布5的表面旋涂氧化石墨烯，构成氧化石墨烯层8；

第六步：撕去胶布5及位于胶布5上方的氧化石墨烯层8，剩下的氧化石墨烯层8构成氧化石墨烯薄膜层3，从而制成湿度传感器。

作为优选，柔性衬底1由LCP制成。

作为优选，所述的第四步中，胶布5分别覆盖第一金属电极板2的部分顶面和第二金属电极板4的部分顶面。

本实施例的制备方法简单易行。本实施例制备的传感器采用氧化石墨烯薄膜层3作为湿敏元件，当氧化石墨烯薄膜层3吸收到外部环境中的水蒸气时，其自身的介电常数会发生变化，从而导致电容式湿度传感器的电容发生相应的变化，电容变化通过两端金属电极输出，最后达到测出环境中湿度的目的。

该湿度传感器利用有机柔性材料LCP做衬底，使得湿度传感器的衬底可以弯曲变形。同时利用氧化石墨烯作为湿敏元件，氧化石墨烯薄膜层3填充在第一金属电极板2和第二金属电极板4之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板2的顶面和第二金属电极板4的顶面，使得该湿度传感器具有灵敏度高，响应速度快，结构简单。该压力传感器可以广泛适用于生物医学、可穿戴设备等领域。本专利同时还提供传感器的制备方法，简单易行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种柔性电容式湿度传感器，其特征在于，该湿度传感器包括柔性衬底（1）、第一金属电极板（2）、氧化石墨烯薄膜层（3）和第二金属电极板（4），其中，第一金属电极板（2）和第二金属电极板（4）分别固定连接在柔性衬底（1）的顶面；氧化石墨烯薄膜层（3）填充在第一金属电极板（2）和第二金属电极板（4）之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板（2）的顶面和第二金属电极板（4）的顶面。

2.按照权利要求1所述的柔性电容式湿度传感器，其特征在于，所述的第一金属电极板（2）和第二金属电极板（4）分别位于柔性衬底（1）顶面的两端。

3.按照权利要求1所述的柔性电容式湿度传感器，其特征在于，所述的氧化石墨烯薄膜层（3）覆盖在第一金属电极板（2）的部分顶面和第二金属电极板（4）的部分顶面。

4.按照权利要求1所述的柔性电容式湿度传感器，其特征在于，所述的柔性衬底（1）由LCP制成。

5.按照权利要求1所述的柔性电容式湿度传感器，其特征在于，所述的第一金属电极板（2）和第二金属电极板（4）通过腐蚀金属薄层的方法制成。

6.一种权利要求1所述的柔性电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

第一步：在单面覆有金属薄层（6）的柔性衬底（1）的两端分别涂上光刻胶（7）；

第二步：对未被光刻胶（7）覆盖的金属薄层（6）进行腐蚀，位于光刻胶（7）下方的金属薄层（6）分别构成第一金属电极板（2）和第二金属电极板（4）；

第三步：去除光刻胶（7）；

第四步：在第一金属电极板（2）的顶面和第二金属电极板（4）的顶面分别贴上胶布（5）；

第五步：在柔性衬底（1）、第一金属电极板（2）、第二金属电极板（4）和胶布（5）的表面旋涂氧化石墨烯，构成氧化石墨烯层（8）；

第六步：撕去胶布（5）及位于胶布（5）上方的氧化石墨烯层（8），剩下的氧化石墨烯层（8）构成氧化石墨烯薄膜层（3），从而制成湿度传感器。

7.按照权利要求6所述的柔性电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述的第一步中，柔性衬底（1）由LCP制成。

8.按照权利要求6所述的柔性电容式湿度传感器的制备方法，其特征在于，所述的第四步中，胶布（5）分别覆盖第一金属电极板（2）的部分顶面和第二金属电极板（4）的部分顶面。