CN110133068B - 一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器 - Google Patents
一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及湿度传感技术领域,且公开了一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,包括纳米纤维织物A,所述纳米纤维织物A由纳米纤维织物B、金属镀层和湿度敏感材料层组成;纳米纤维织物B的上下两面均设置有金属镀层,在两层金属镀层的表面均镀有湿度敏感材料层。该基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,通过纳米纤维织物作为导电基底,取代了原来的金叉指电极、金属电极等导电基底,成本低;而且其本身具有湿度敏感性,增强了湿度敏感材料效果,使得整个湿度传感器灵敏度高,响应迅速。同时由于电极位于纳米纤维织物的两侧,能够充分利用整个纳米纤维织物保证了传感器的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及湿度传感技术领域,具体为一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。
背景技术
湿度是表示大气干燥程度的物理量,其对于人们日常生产和生活产生非常大的影响,人类等生物的生存需要在一定的湿度环境下;纺织、造纸、玻璃成形、电子元件、精密器械等生产过程中也需要对湿度进行严格的控制。对于湿度的监控,核心器件是湿度传感器,目前湿度传感器的湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。其主要原理是水分子吸附到材料表面时,他们的介电常数或者阻抗发生变化。与电容型湿度传感器相比,电阻型湿度传感器具有长期使用稳定性好,价格低廉,易于集成等优势。
常用的湿敏电阻型材料有氧化系材料(如SnO、CuO、TiO2、CeO2和WO3)、硅系材料、有机材料、陶瓷材料等,其都需配合基底电极材料使用。由于目前基底电极材料大多采用金叉指电极、金属电极等导电基底,整个湿敏电阻的灵敏度仅取决于湿敏电阻型材料,而基底对传感器的灵敏度及稳定性几乎没有贡献。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,包括纳米纤维织物A,所述纳米纤维织物A由静电纺纳米纤维织物B、金属镀层和湿度敏感材料层组成。
静电纺纳米纤维织物B的上下两面均设置有金属镀层,在两层金属镀层的表面均镀有湿度敏感材料层,在每层湿度敏感材料层的表面上均设置有导电聚合物胶,在导电聚合物胶上设置有导电电极,两个导电电极之间通过导线连接,导线的中间位置设置有欧姆表。
优选的,所述纳米纤维织物A材质可以是聚酰胺6、聚酰胺6/66、聚丙烯腈、聚砜、聚乳酸、聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚己内酯、聚间苯二甲酰间苯二胺,静电纺纳米纤维纱中可以含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨、碳气凝胶、纳米碳颗粒,含量为0.1-1.5%,而且这些颗粒物质均为在纺丝液中添加。
优选的,所述金属镀层的材质可以是钛、铝、镍、金、银、铜、铂、钯或锌,金属镀层采用蒸镀或磁控溅射的方式镀在纳米纤维织物A上,金属镀层的厚度为1nm-2μm。
优选的,所述湿度敏感材料层的厚度为0.2-5μm,湿度敏感材料层可以为多孔材料,如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等;也可以是有机聚合物材料,如聚酰亚胺类、聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物、与其他单体的共聚物等。
优选的,所述导电聚合物胶的材质可以是导电金胶、导电银胶、导电铜胶、导电碳胶,导电聚合物胶的厚度为0.05-1.5mm。
优选的,所述导电电极为矩形片状,导电电极的材质为铜、铝、铁、钛、镍、锌,或者是镀金、银、铂、钯的塑料片或金属片的一种,导电电极的厚度为1-5mm。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,具备以下有益效果:
该基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,通过纳米纤维织物作为导电基底,取代了原来的金叉指电极、金属电极等导电基底,成本低;而且其本身具有湿度敏感性,增强了湿度敏感材料效果,使得整个湿度传感器灵敏度高,响应迅速。同时由于电极位于纳米纤维织物的两侧,能够充分利用整个纳米纤维织物保证了传感器的稳定性。
附图说明
图1为基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器示意图;
图2为基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器工作示意图;
图3为实施例1中所制备的湿度传感器的响应特性曲线;
图4为实施例2中所制备的湿度传感器的响应特性曲线;
图5为实施例3中所制备的湿度传感器的响应特性曲线;
图6为实施例4中所制备的湿度传感器的响应特性曲线。
图中:1纳米纤维织物A、101湿度敏感材料层、102静电纺纳米纤维织物B、103金属镀层、2导电聚合物胶、3导电电极、4导线、5欧姆表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2,一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,包括纳米纤维织物A1,纳米纤维织物A 1由静电纺纳米纤维织物B 102、金属镀层103和湿度敏感材料层101组成。
静电纺纳米纤维织物B 102的上下两面均设置有金属镀层103,在两层金属镀层103的表面均镀有湿度敏感材料层101,在每层湿度敏感材料层101的表面上均设置有导电聚合物胶2,在导电聚合物胶2上设置与导电电极3,两个导电电极3之间通过导线4连接,导线4的中间位置设置有欧姆表5,静电纺纳米纤维织物B(102)的材质是聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱。
纳米纤维织物A1材质可以是聚酰胺6、聚酰胺6/66、聚丙烯腈、聚砜、聚乳酸、聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚己内酯、聚间苯二甲酰间苯二胺,静电纺纳米纤维纱中可以含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨、碳气凝胶、纳米碳颗粒,含量为0.1-1.5%,而且这些颗粒物质均为在纺丝液中添加。
金属镀层103的材质可以是钛、铝、镍、金、银、铜、铂、钯或锌,金属镀层103采用蒸镀或磁控溅射的方式镀在纳米纤维织物A1上,金属镀层103的厚度为1nm-2μm。
湿度敏感材料层101的厚度为0.2-5μm,湿度敏感材料层101可以为多孔材料,如多孔陶瓷基材料、多孔金属氧化物及其他多孔半导体材料等;也可以是有机聚合物材料,如聚酰亚胺类、聚甲基丙烯酸甲脂类及其衍生物、与其他单体的共聚物等。
导电聚合物胶2的材质可以是导电金胶、导电银胶、导电铜胶、导电碳胶,导电聚合物胶2的厚度为0.05-1.5mm。
导电电极3为矩形片状,导电电极3的材质为铜、铝、铁、钛、镍、锌,或者是镀金、银、铂、钯的塑料片或金属片的一种,导电电极3的厚度为1-5mm。
实施例1
利用多针头水浴静电纺丝的方法制备聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱,其中碳纳米管(单壁碳纳米管,直径1-2nm,长度5-30μm)的含量为1%,纱线的线密度为17.6tex,随后用C/401型剑杆织机(天津隆达有限公司)织造平纹组织纳米纤维织物。织造参数为:上机经密为450根/10cm,上机纬密为250根/10cm的,幅宽为24cm,筘号为15,穿入数为3。
剪取长3cm,宽1cm的矩形纳米纤维织物,利用磁控溅射的方式对其进行镀膜处理,材料为金,厚度为200nm。然后将质量比为8:2的Fe2O3与ZnO混合粉末作为湿度敏感材料在镀金纳米纤维织物上制成厚度为3mm的薄膜,形成具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1。
将长度为2cm,宽度为0.5cm,厚度为0.5mm的矩形铜片进行单面镀膜,膜材质为金,厚度为20nm。随后将其作为导电电极3,通过导电金胶与具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1连接,导电电极3置于织物两侧,镀金膜一侧与导电金胶相连,连接方式如图1所示,导电金胶的厚度为0.1mm。随后导电电极3伸出部分通过导线4与欧姆表5相连,从而制成基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。此传感器的响应特性曲线如图3所示。
实施例2
利用多针头水浴静电纺丝的方法制备聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱,其中碳纳米管(单壁碳纳米管,直径1-2nm,长度5-30μm)的含量为1%,纱线的线密度为17.6tex,随后用C/401型剑杆织机(天津隆达有限公司)织造平纹组织纳米纤维织物。织造参数为:上机经密为450根/10cm,上机纬密为250根/10cm的,幅宽为24cm,筘号为15,穿入数为3。
剪取长3cm,宽1cm的矩形纳米纤维织物,利用磁控溅射的方式对其进行镀膜处理,材料为金,厚度为200nm。然后将质量比为5:5的TiO2与ZnO混合粉末作为湿度敏感材料层101在镀金纳米纤维织物上制成厚度为3mm的薄膜,形成具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1。
将长度为2cm,宽度为0.5cm,厚度为0.5mm的矩形铜片进行单面镀膜,膜材质为金,厚度为20nm。随后将其作为导电电极3,通过导电金胶与具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1连接,导电电极3置于织物两侧,镀金膜一侧与导电金胶相连,连接方式如图1所示,导电金胶的厚度为0.1mm。随后导电电极3伸出部分通过导线4与欧姆表5相连,从而制成基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。此传感器的响应特性曲线如图4所示。
实施例3
利用多针头水浴静电纺丝的方法制备聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱,其中碳纳米管(单壁碳纳米管,直径1-2nm,长度5-30μm)的含量为0.5%,纱线的线密度为17.6tex,随后用C/401型剑杆织机(天津隆达有限公司)织造平纹组织纳米纤维织物。织造参数为:上机经密为450根/10cm,上机纬密为250根/10cm的,幅宽为24cm,筘号为15,穿入数为3。
剪取长3cm,宽1cm的矩形纳米纤维织物,利用磁控溅射的方式对其进行镀膜处理,材料为金,厚度为200nm。然后将质量比为8:2的Fe2O3与ZnO混合粉末作为湿度敏感材料层101在镀金纳米纤维织物上制成厚度为3mm的薄膜,形成具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1。
将长度为2cm,宽度为0.5cm,厚度为0.5mm的矩形铜片进行单面镀膜,膜材质为金,厚度为20nm。随后将其作为导电电极3,通过导电金胶与具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1连接,导电电极3置于织物两侧,镀金膜一侧与导电金胶相连,连接方式如图1所示,导电金胶的厚度为0.1mm。随后导电电极3伸出部分通过导线4与欧姆表5相连,从而制成基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。此传感器的响应特性曲线如图5所示。
实施例4
利用多针头水浴静电纺丝的方法制备聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱,其中碳纳米管(单壁碳纳米管,直径1-2nm,长度5-30μm)的含量为0.5%,纱线的线密度为17.6tex,随后用C/401型剑杆织机(天津隆达有限公司)织造平纹组织纳米纤维织物。织造参数为:上机经密为450根/10cm,上机纬密为250根/10cm的,幅宽为24cm,筘号为15,穿入数为3。
剪取长3cm,宽1cm的矩形纳米纤维织物A1,利用磁控溅射的方式对其进行镀膜处理,材料为金,厚度为400nm。然后将质量比为8:2的Fe2O3与ZnO混合粉末作为湿度敏感材料层101在镀金纳米纤维织物上制成厚度为3mm的薄膜,形成具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1。
将长度为2cm,宽度为0.5cm,厚度为0.5mm的矩形铜片进行单面镀膜,膜材质为金,厚度为20nm。随后将其作为导电电极3,通过导电金胶与具有湿度敏感材料层101与金属镀层103的纳米纤维织物A1连接,导电电极3置于织物两侧,镀金膜一侧与导电金胶相连,连接方式如图1所示,导电金胶的厚度为0.1mm。随后导电电极3伸出部分通过导线4与欧姆表5相连,从而制成基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器。此传感器的响应特性曲线如图6所示。
综上所述,该基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,取代了原来的金叉指电极、金属电极等导电基底,成本低;而且其本身具有湿度敏感性,增强了湿度敏感材料效果,使得整个湿度传感器灵敏度高,响应迅速。同时利用结构设计保证了传感器的稳定性。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,包括纳米纤维织物A(1),其特征在于:所述纳米纤维织物A(1)由静电纺纳米纤维织物B(102)、金属镀层(103)和湿度敏感材料层(101)组成,静电纺纳米纤维织物B中含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨、碳气凝胶、纳米碳颗粒,含量为0.1-1.5%,而且这些颗粒物质均为在纺丝液中添加;
静电纺纳米纤维织物B(102)的上下两面均设置有金属镀层(103),在两层金属镀层(103)的表面均镀有湿度敏感材料层(101),在每层湿度敏感材料层(101)的表面上均设置有导电聚合物胶(2),在导电聚合物胶(2)上设置有导电电极(3),两个导电电极(3)之间通过导线(4)连接,导线(4)的中间位置设置有欧姆表(5),静电纺纳米纤维织物B(102)的材质是聚酰胺6/碳纳米管纳米纤维纱。
2.根据权利要求1所述的一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,其特征在于:所述金属镀层(103)的材质是钛、铝、镍、金、银、铜、铂、钯或锌中的一种,金属镀层(103)的厚度为1nm-2μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,其特征在于:所述湿度敏感材料层(101)的厚度为0.2-5μm,湿度敏感材料层(101)为多孔材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,其特征在于:所述导电聚合物胶(2)的材质是导电金胶、导电银胶、导电铜胶、导电碳胶中的一种,导电聚合物胶(2)的厚度为0.05-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器,其特征在于:所述导电电极(3)为矩形片状,导电电极(3)的材质为铜、铝、铁、钛、镍、锌,或者是镀金、银、铂、钯的塑料片或金属片的一种,导电电极(3)的厚度为1-5mm。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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