CN108169295A - 柔性湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性湿度传感器及其制备方法，该柔性湿度传感器包括柔性基底、金属膜电极和湿敏聚合物薄膜，所述金属电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。本发明在柔性基底上喷墨打印金属导电墨水然后刮涂湿敏聚合物溶液，避免了复杂设备和工艺的使用，具有简单、快速、成本低等优点，可以达到大面积制备高灵敏性、柔性湿度传感器的技术效果。所制备的柔性湿度传感器结构简单，形状和大小都可根据需要随意改变，对湿度的响应和恢复时间快，多次使用能够保持良好的稳定性。

Description

柔性湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种柔性湿度传感器。
背景技术
湿度传感器在军事、气象、农业、工业控制、医疗器械等领域有着广泛的应用。在过去的十几年里，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。传统湿度传感器采用硅基材料，其具有机械脆性，不能维持较大的形变和瞬时的冲击，材料的刚性也很难适用于诸如弯曲表面的触觉传感探测等。
新型柔性湿度传感器因具备灵敏度高、灵活性强、可穿戴等特点而广泛应用于各种柔性电子器件中，扩大了传感器的应用领域，开拓了新兴市场。通过将柔性湿度传感器的器件微结构化从而优化其综合性能已成为当前国内外研究者最关注的热点之一。现有的柔性湿度传感器器件的微结构化基于晶体管结构或微机电系统，采用硅片为基底，通过光刻、蒸镀或旋涂工艺另电极形成与基底上，采用CNT或石墨烯等材料作为湿敏材料，器件结构十分精细。然而，这样的器件微结构化必然存在制备工艺复杂的问题，例如需要制备掩膜板，极大地增加了器件制备过程的难度，难以实现快速大规模的制备。
发明内容
本发明的目的是针对目前柔性湿度传感器制备过程复杂的缺点，提供一种柔性湿度传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面：提供一种柔性湿度传感器，该柔性湿度传感器包括柔性基底、金属膜电极和湿敏聚合物薄膜，所述金属电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。
可选地，所述金属膜电极通过喷墨打印形成在所述柔性沉底上，所述湿敏聚合物薄膜通过刮涂形成在所述金属膜电极上。
可选地，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种制成。
可选地，所述金属膜电极为选自银电极、金电极、铜电极和铝电极中的至少一种。
可选地，所述湿敏聚合物薄膜为含有离子型化合物的聚乙烯醇湿敏薄膜，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH和KOH中的至少一种。
本发明第二方面：提供一种制备柔性湿度传感器的方法，该方法包括：
S1.在柔性基底表面喷墨打印金属导电墨水，以在所述柔性基底上形成金属膜电极，得到打印电极后的柔性基底；
S2.在步骤S1得到的所述打印电极后的柔性基底上刮涂湿敏聚合物溶液，以形成湿敏聚合物薄膜，所述金属膜电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。
可选地，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种制成。
可选地，所述金属导电墨水为选自银墨水、金墨水、铜墨水和铝墨水中的至少一种。
可选地，所述湿敏聚合物溶液为含有离子型化合物和水溶性聚合物的水溶液，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH、CaCl2和KOH等的一种或多种，水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚吡咯烷酮和聚丙烯酰胺等的一种或多种。
优选地，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述水溶性聚合物的用量为4-8g，所述离子型化合物的用量1-5g；更优选地，所述湿敏聚合物溶液为含有NaCl和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量为4-8g，所述NaCl的用量为1-2g。
在本发明的另一实施例中，所述湿敏聚合物溶液为含有KOH和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量为4-8g，所述KOH的用量为1-3g。
本发明第三方面：提供一种由本发明第二方面所述的方法制备得到的柔性湿度传感器。
通过上述技术方案，本发明在柔性基底上喷墨打印金属导电墨水然后刮涂湿敏聚合物溶液，避免了复杂设备和工艺的使用，具有简单、快速、成本低等优点，可以实现大面积高灵敏性柔性湿度传感器的制备。所制备的柔性湿度传感器结构简单，形状和大小都可根据需要随意改变，对湿度的响应和恢复时间快，多次使用能够保持良好的稳定性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例1和2所制备的柔性湿度传感器中在柔性基底上喷墨打印形成的银电极阵列的图案；
图2是实施例1和2所制备的柔性湿度传感器对湿度响应的特征曲线，图中，横坐标为相对湿度，纵坐标为电流；
图3是实施例1和2所制备的柔性湿度传感器在恒定湿度下的响应和恢复曲线，图中，横坐标为时间，纵坐标为电流。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明第一方面：提供一种柔性湿度传感器，该柔性湿度传感器包括柔性基底、金属膜电极和湿敏聚合物薄膜，所述金属电极位于所述柔性沉底和湿敏聚合物薄膜之间。所述金属膜电极通过喷墨打印形成在所述柔性基底上，所述湿敏聚合物薄膜通过刮涂形成在所述金属膜电极上。
本发明提供的柔性湿度传感器结构简单，其形状和大小都可根据需要随意改变，且对湿度的响应和恢复时间快，多次使用能够保持良好的稳定性。
根据本发明，所述柔性基底可以为本领域常规的，本发明不做特殊的限制。例如，所述柔性基底可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成。
根据本发明，所述金属膜电极是以金属膜的形式存在的电极，其在所述柔性基底上可以以如图1所示的电极阵列的形式排布，以使得所述金属膜电极均匀地形成在所述柔性基底上。所述金属膜电极可以为本领域常规的，只要满足能够通过喷墨打印形成在所述柔性基底上的目的即可，本发明不做特殊的限制。例如，所述金属膜电极可以为选自银电极、金电极、铜电极和铝电极中的至少一种。
根据本发明，所述湿敏聚合物薄膜为含有离子型化合物的水溶性聚合物湿敏薄膜。所述离子型化合物的作用是，当薄膜从环境中吸收水分时，离子型化合物发生电离，产生可自由移动的正负离子，使得薄膜的电导率变大，电阻大大降低，从而实现湿度和电阻的对应。本发明对所述离子型化合物没有特殊的限制，优选地，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH、CaCl2和KOH等的一种或多种，水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚吡咯烷酮和聚丙烯酰胺等的一种或多种。
本发明第二方面：提供一种制备柔性湿度传感器的方法，该方法包括：
S1.在柔性基底表面喷墨打印金属导电墨水，以在所述柔性基底上形成金属膜电极，得到打印电极后的柔性基底；
S2.在步骤S1得到的所述打印电极后的柔性基底上刮涂湿敏聚合物溶液，以形成湿敏聚合物薄膜，所述金属膜电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。
本发明提供的方法通过在柔性基底上喷墨打印金属导电墨水然后刮涂湿敏聚合物溶液，避免了复杂设备和工艺的使用，具有简单、快速、成本低等优点，可以实现大面积高灵敏性柔性湿度传感器的制备。
根据本发明，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亚胺(PI)中的至少一种制成，上述材料具有较好的拉伸强度和化学稳定性，采用上述材料作为柔性基底制备本发明的柔性湿度传感器可以隔绝干扰并使得传感器具有良好的稳定性。
根据本发明，所述金属导电墨水的含义为本领域技术人员所熟知，其一般为将纳米金属颗粒与溶剂、表面活性剂等助剂混合得到的。所述金属导电墨水可以为本领域常规的能够通过喷墨打印在所述柔性基底上形成金属膜电极的墨水，本发明没有特殊的限制，例如可以为选自银墨水、金墨水、铜墨水和铝墨水中的至少一种，优选为银墨水。所述银墨水可以按照文献中的方法制备得到，也可以为购自昆山海斯电子有限公司，牌号为Jet600c的银墨水。
根据本发明，所述湿敏聚合物溶液为含有离子型化合物和水溶性聚合物的水溶液。本发明对所述离子型化合物的种类没有特殊的限制，只要满足能够在含水情况下电离产生离子的目的即可，优选地，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH、CaCl2和KOH等的一种或多种，水溶性聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚吡咯烷酮和聚丙烯酰胺等的一种或多种。
根据本发明，可以按照特定的比例将所述离子型化合物和水溶性聚合物溶于水中，搅拌均匀即可得到所述湿敏聚合物溶液。所述湿敏聚合物溶液中各组分的配比对形成湿敏聚合物薄膜具有重要的影响，水溶性聚合物的浓度太低会导致成膜质量较差，膜不致密，浓度过高，又会导致配制溶液时溶解困难；离子型化合物的浓度太低，湿敏效果差，浓度过高，则其在和水溶性聚合物溶液混合时会从溶液中析出，导致薄膜质量不好，本发明中离子型化合物的用量可根据其溶解度进行调整。具体地，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述水溶性聚合物的用量可以为4-8g，所述离子型化合物的用量可以为1-5g。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述湿敏聚合物溶液为含有NaCl和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量可以为4-8g，所述NaCl的用量为1-2g。实际配制湿敏聚合物溶液时，可以将计算量的聚乙烯醇先溶于水中，再加入适量NaCl饱和溶液，即可得到上述配比范围内的湿敏聚合物溶液。
在本发明的另一种优选的实施方式中，所述湿敏聚合物溶液为含有KOH和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量可以为4-8g，所述KOH的用量可以为40-80g。实际配制湿敏聚合物溶液时，可以将计算量的聚乙烯醇先溶于水中，再加入适量一定浓度范围内的KOH溶液，即可得到上述配比范围内的湿敏聚合物溶液，所述KOH溶液的浓度例如可以为0.6g/mL。
以上两种优选实施方式的湿敏聚合物溶液中离子型化合物和聚乙烯醇的浓度适宜，且溶液为水性体系，无毒害，刮涂后能够形成湿敏效果优异的聚合物薄膜，成膜质量高。
根据本发明，步骤S1中，在柔性基底表面喷墨打印金属导电墨水所形成的金属膜电极可以为如图1所示的电极阵列，其中，电极宽度和沟道的间距可根据实际需要进行调节，本发明不做特殊的限制。所述喷墨打印的含义为本领域技术人员所熟知，其操作条件可以为本领域常规的，例如，喷墨打印时的电压优选不超过20V，喷头温度可以为20-30℃，点间距为10-20微米。步骤S2中所述刮涂的具体操作方法也可以为本领域常规的，本发明不再赘述。
本发明第三方面：提供一种由本发明第二方面所述的方法制备得到的柔性湿度传感器。
下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
(1)将银墨水装入喷墨打印设备(购自Dimatix公司)的墨盒中，在喷头电压为20V，喷头温度为30℃，点间距15μm条件下，在对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜表面喷墨打印，形成如图1所示的银电极阵列。
(2)将6g聚乙烯醇(PVA)溶于适量水中，然后滴加5mL饱和的NaCl水溶液，搅拌均匀，得到湿敏聚合物溶液，其中，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，PVA的用量为6g，NaCl的用量为2g。
(3)在(1)得到的打印电极后的柔性基底上刮涂(2)的湿敏聚合物溶液，室温干燥形成PVA/NaCl湿敏聚合物薄膜，得到本实施例制备的柔性湿度传感器。
实施例2
按照实施例1的方法制备柔性湿度传感器，区别在于，步骤(2)为：将6g聚乙烯醇(PVA)溶于适量水中，然后滴加5mL浓度为0.6g/mL的KOH水溶液，搅拌均匀，得到湿敏聚合物溶液，其中，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，PVA的用量为6g，KOH的用量为3g。然后将其刮涂在打印电极后的柔性基底上，室温干燥形成PVA/KOH湿敏聚合物薄膜，得到本实施例制备的柔性湿度传感器。
测试实施例
将实施例1-2所制备的柔性湿度传感器放置到密闭容器内，控制不同的湿度氛围，采用电化学工作站测试柔性湿度传感器在恒定电压下的电流变化。
实施例1的柔性湿度传感器在不同湿度下的电流特性曲线如图2所示，实施例2与其类似，结果显示，随着湿度增加，电流也会增加，且电流与湿度呈现正线性相关，证明采用本发明的方法制备的柔性湿度传感器具有较高的灵敏性。
实施例1的柔性湿度传感器在特定湿度(湿度为40％RH)下的响应和恢复曲线如图3所示，实施例2与其类似，可见，多次测试的平均响应时间为10s，恢复时间为90s，多次测试结果保持稳定，证明采用本发明的方法制备的柔性湿度传感器对湿度的响应和恢复时间较快，并且具有良好的稳定性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种柔性湿度传感器，其特征在于，该柔性湿度传感器包括柔性基底、金属膜电极和湿敏聚合物薄膜，所述金属电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。
2.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器，其中，所述金属膜电极通过喷墨打印形成在所述柔性基底上，所述湿敏聚合物薄膜通过刮涂形成在所述金属膜电极上。
3.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器，其中，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种制成。
4.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器，其中，所述金属膜电极为选自银电极、金电极、铜电极和铝电极中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器，其中，所述湿敏聚合物薄膜为含有离子型化合物的聚乙烯醇湿敏薄膜，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH和KOH中的至少一种。
6.一种制备柔性湿度传感器的方法，其特征在于，该方法包括：
S1.在柔性基底表面喷墨打印金属导电墨水，以在所述柔性基底上形成金属膜电极，得到打印电极后的柔性基底；
S2.在步骤S1得到的所述打印电极后的柔性基底上刮涂湿敏聚合物溶液，以形成湿敏聚合物薄膜，所述金属膜电极位于所述柔性基底和湿敏聚合物薄膜之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述柔性基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种制成。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属导电墨水为选自银墨水、金墨水、铜墨水和铝墨水中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述湿敏聚合物溶液为含有离子型化合物和聚乙烯醇的水溶液，所述离子型化合物为选自NaCl、KCl、NaOH和KOH中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量为4-8g，所述离子型化合物的用量1-5g。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述湿敏聚合物溶液为含有NaCl和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量为4-8g，所述NaCl的用量为1-2g。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述湿敏聚合物溶液为含有KOH和聚乙烯醇的水溶液，以100mL的所述湿敏聚合物溶液为基准，所述聚乙烯醇的用量为4-8g，所述KOH的用量为1-3g。
13.一种由权利要求6-12中任意一项所述的方法制备得到的柔性湿度传感器。
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