CN110702742A - 一种湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种湿度传感器，包括：基底；湿敏材料纳米线；设置于所述基底上，用于进行湿度感应；电极，接触设置于所述湿敏材料纳米线的两端。由上，本申请的湿度传感器，有利于实现高效快速地进行湿度的测量。

Description

一种湿度传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种湿度传感器。
背景技术
湿度传感器通常用于测量给定区域的湿度信息，并能将检测感受到的信息转换为特定的信号输出。呼吸，作为最重要的健康指标之一，一直是在目前医疗界在全力构建的无线可穿戴柔性医疗检测体系中非常重要的一个环节。因为许多疾病，如支气管炎、哮喘、肺炎、睡眠呼吸暂停综合征和心脏骤停等，都会导致呼吸速度和呼吸深度的突然变化。所以呼吸的异常可作为许多慢性疾病或其他问题的征兆之一。所以近些年来有许多关于柔性可穿戴呼吸传感器的研究，例如基于湿度和压力的。但是这些传感器存在易受外部环境影响的问题，例如基于湿度的传感器易受到外界环境湿度的影响，基于压力的传感器容易受到人体活动以及外界环境带来的应变的影响，从而影响测量结果。而由于人体的呼出气通常具有很高的湿度，可达到百分之九十以上，所以可以基本不受外界环境的影响，所以近年来，湿度传感器被证明可以更准确、更方便地进行呼吸监测。
于是近些年出现了大量的可用于呼吸检测的湿度传感器。但是目前多数湿度传感器存在着响应较慢的问题。因为水分子吸附到湿敏物质内部再解吸附出来，需要一定的时间(当水分子解吸附出来之后，才能继续进行湿度检测)。而人正常的一次呼吸持续时间是3-4s，要想通过对呼出气的湿度进行检测进而对呼吸情况进行监测，则对湿度传感器的响应时间和恢复时间提出了很高的要求，例如，当在对一名用户进行呼吸的湿度检测时，当刚好湿度发生变化时，若湿度传感器反应较慢，之前测量时水分子被吸附到湿敏物质内部而尚未被解吸附出来，从而不能即时的检测当下患者的呼吸的湿度情况。因此，需要提高湿度传感器的响应速度和恢复速度。
因此，目前亟需一种湿度传感器，以提高提高湿度传感器的响应速度和恢复速度，以实现高效快速进行湿度的测量，进而达到对呼吸情况进行高效监测的目的。
发明内容
有鉴于此，针对目前的湿度传感器存在响应时间较长的问题，本申请提出了一种纳米限制条件下的湿度柔性传感器，通过将湿敏材料限制在纳米尺度条件下，从而极大的增大其表体比，进而有效的提高其对湿度的响应速度，恢复速度及响应值。
本申请提供的一种湿度传感器，包括：
基底；
湿敏材料纳米线；设置于所述基底上，用于进行湿度感应；
电极，接触设置于所述湿敏材料纳米线的两端。
由上，本申请的湿度传感器中的湿敏材料为纳米级的纳米线，其对湿度变化响应及恢复十分灵敏，有利于更加灵敏、快速、准确地测量湿度。
优选地，所述湿敏材料纳米线的材质包括但不限于：
聚3，4-乙撑二氧噻-聚苯乙烯磺，氧化石墨烯，还原的氧化石墨烯，三硫化磷镍晶体，二硫化钽晶体，二硫化钨。
优选地，所述湿敏材料纳米线为：由直径为纳米级的湿敏颗粒排列成的一维纳米线。
由上，如果材料是普通的形态，例如薄膜的话，则由多层颗粒组成。与水分子接触时，水分子需要进行多层的吸附，这就导致了材料与水接触时需要较长的时间来达到稳态，从而导致响应时间较长。而本申请可以使得对湿度敏感的颗粒外表面最大限度的暴露在外部环境中。有利于快速充分快速的与水接触，从而大大的提高了其的响应速度和灵敏度，以及提高了水分解吸附速度(恢复速度)。
优选地，所述湿敏颗粒由导电内层和对湿度敏感的非导电外层构成；其中，所述湿敏颗粒的直径为：10nm～60nm。
由上，本发明通过将颗粒限制在上述的尺度下，且使得颗粒排列成一维的纳米线形式，上述尺寸可以使得对湿度敏感的颗粒外层最大限度的暴露在外部环境中。极大的增大其表体比，进而有效的提高其对湿度的响应速度，恢复速度及响应值。
优选地，所述基底为具有弯曲或拉伸特性的柔性基底。
由上，有利于将所述湿度传感器贴附在不同的被测对象或者其他装置上。
优选地，所述柔性基底的厚度范围为20μm-300μm。
由上，上述柔性基底的厚度范围有利于湿度传感器与被测对象或其他装置的贴合。
优选地，所述湿敏材料纳米线以阵列的方式设置，所述阵列至少包括但不限于以下其一：直线结构阵列、曲线结构阵列、十字交叉结构阵列以及圆柱结构阵列。
由上，不同结构的引入不仅有利于增加后续传感性能的提高，而且还有利于根据不同的应用场景做灵活的调整。
优选地，所述直线结构阵列为在所述基底的表面上形成多个彼此间隔一指定距离的长条形的凸起。
优选地，所述长条形的凸起的高度范围为10nm至200nm；所述长条形的凸起的长度范围为100μm至100mm。
由上，上述高度范围有利于实现对湿度的感应检测。其中，优选地，所述长条形的凸起的高度范围为50nm至100nm。以更有利于实现对湿度的感应检测。上述长度范围有利于实现对湿度的感应检测。其中，优选地，所述长条形的凸起的长度范围为1mm至10mm，上述长度范围更有利于实现对湿度的感应检测。
优选地，所述电极至少包括但不限于以下其一：长条形电极，矩形叉值电极或圆形叉值电极。
由上，电极可以是本领域公知的可以作为电极形状中的一种或多种。优选地所述电极材料是长条形电极，矩形叉指电极。
综上所述，本申请的湿度传感器极大的增大了湿敏材料的表体比，进而有效的提高其对湿度的响应速度，恢复速度及响应值。
附图说明
图1为本申请实施例提供的湿度传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的湿度检测装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的湿度检测装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的湿度检测装置的结构示意图；
图5A为本申请实施例提供的本申请的湿度检测装置检测湿度的响应结果的示意图；
图5B为本申请实施例提供的现有技术的湿度检测装置检测湿度的响应结果的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种湿度传感器，包括：
基底101，其中，所述基底可以是柔性基底101；柔性基底为具有弯曲或拉伸特性的强导热基底；通过该柔性基底可以使得该湿度传感器具有很好的贴敷性。所述柔性基底的厚度范围为20μm-300μm。上述柔性基底的厚度范围有利于湿度传感器与被测对象(例如皮肤)的贴合。其中，柔性基底材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、橡胶以及纤维素等本领域公知的可以作为柔性基底的材料中的一种或多种。优选地，所述柔性基底材料是聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯。所述柔性基底材料制备的柔性基底具有弯曲或拉伸的特性，因此可以后续柔性传感器的制备和集成。
湿敏材料纳米线102；设置于所述基底101，用于进行湿度感应；所述湿敏材料纳米线的材质包括但不限于：聚3，4-乙撑二氧噻-聚苯乙烯磺，氧化石墨烯，还原的氧化石墨烯，三硫化磷镍晶体，二硫化钽晶体，二硫化钨。
其中，所述湿敏材料纳米线还可以为：由直径为纳米级的湿敏颗粒排列成的一维纳米线。其中，所述湿敏颗粒的直径为：10nm～60nm。其中，所述湿敏颗粒由导电内层和对湿度敏感的非导电外层组成。具体的，本申请中的实例使用使用微观结构上直径为几十纳米的聚(3，4-乙撑二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)颗粒，颗粒内层为导电的聚(3，4-乙撑二氧噻吩)，颗粒外层为不导电的聚(苯乙烯磺酸)。材料的湿敏原理是颗粒外层的聚(苯乙烯磺酸)遇水时，将会发生膨胀，使得相互接触的颗粒之间的距离增大，从而使得材料的导电率下降。如果材料是普通的形态，例如薄膜的话，则由多层颗粒组成。与水分子接触时，水分子需要进行多层的吸附，这就导致了材料与水接触时需要较长的时间来达到稳态，从而导致响应时间较长。而本发明通过将聚(3，4-乙撑二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)限制在几十纳米的尺度下，使得颗粒排列成一维的纳米线形式，在这种情况下则可以使得对湿度敏感的颗粒外层聚(苯乙烯磺酸)最大限度的暴露在外部环境中。从而大大的提高了其的响应速度和灵敏度，以及提高了水分解吸附速度(恢复速度)。
进一步地，本申请的湿敏材料纳米线全部整齐有序的按照指定的设置排列在所述基底上；湿敏材料纳米线对湿度变化十分的灵敏，有利于实现快速、准确地测量湿度。其中，所述湿敏材料纳米线以阵列的方式设置，所述阵列至少包括但不限于以下其一：直线结构阵列、曲线结构阵列、十字交叉结构阵列以及圆柱结构阵列。不同结构的引入不仅有利于增加后续传感性能的提高，而且还有利于根据不同的应用场景做灵活的调整。优选地，所述直线结构阵列为在所述基底的表面上形成多个彼此间隔一指定距离的长条形的凸起。优选地，所述长条形的凸起的高度范围为10nm至200nm。上述高度范围有利于实现对湿度的感应检测。优选地，所述长条形的的凸起的高度范围为50nm至100nm。上述高度范围更有利于实现对湿度的感应检测。优选地，所述长条形的凸起的长度范围为100μm至100mm。上述长度范围有利于实现对湿度的感应检测。优选地，所述长条形的凸起的长度范围为1mm至10mm。上述长度范围更有利于实现对湿度的感应检测。
其中，所述湿敏材料纳米线的材质至少包括但不限于以下其一：聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐，氧化石墨烯，还原的氧化石墨烯，黑磷，碳纳米管，聚N-异丙基丙烯酰胺-湿敏水凝胶。上述材质的湿敏材料纳米线对湿度的感应灵敏，有利于更好的对湿度的检测。
电极103，接触设置于所述湿敏材料纳米线的两端。优选地，所述电极至少包括但不限于以下其一：长条形电极，矩形叉值电极或圆形叉值电极。电极可以是本领域公知的可以作为电极形状中的一种或多种。优选地所述电极材料是长条形电极，矩形叉指电极。
进一步地，本申请的湿度传感器连接分析仪可以进行湿度分析，例如，本申请的湿度传感器的湿敏材料纳米线102两端的电极103与PCB电路板相连，进一步地，所述PCB电路板与型号B1500半导体分析仪连接，以进一步的对湿度传感器测得的湿度进行分析。
综上所述，本申请提供的湿度传感器，其湿敏材料纳米线限制在纳米尺度条件下，从而极大的增大其表体比，从对湿度变化十分的灵敏，有利于实现快速、准确地测量湿度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例二
基于上述实施例一种提供的湿度传感器，本申请还提供一种湿度检测装置，如图2-4所示，包括：
湿度传感器202；
阻抗采集模块203，其与所述电极103连接，用于采集阻抗信息；所述阻抗采集模块，包括：AD5933芯片或ICL7107芯片等本领域公知的可以作为阻抗测量芯片的一种或多种。优选地为AD5933芯片。
核心控制模块204，其与所述阻抗采集模块连接，用于对所述阻抗采集模块采集的阻抗信息进行处理。所述核心控制模块，包括：51单片机，stm32单片机，ARM处理器或DSP微处理器等本领域公知的可以作为核心控制模块的芯片中的一种或多种。优选地为stm32单片机。
蓝牙传输模块205，与所述核心控制模块，以及外部终端分别连接，用于进行核心控制模块与外部终端之间的交互。通过上述蓝牙传输模块可以实现湿度检测装置和终端(例如手机，电脑，Pad等)之间的信息交互。优选地，所述蓝牙传输模块包括：HC-05或CC2640R2F等本领域公知的可以作为蓝牙芯片中的一种或多种。优选地为HC-05。
其中，所述湿度传感器、所述阻抗采集模块、所述核心控制模块以及所述蓝牙传输模块设置于一基底201上，该基底可以是柔性基底，该基底的材料包括聚酰亚胺或聚酯薄膜等本领域公知的可以作为第二柔性基底201材料的一种或多种。优选地，材质是聚酰亚胺。如图3所示，湿度传感器可以通过导线和第二柔性基底上的电路相连，也可以比如在第二柔性基底上开个孔，孔的位置放置湿度传感器(如图4所示)。
由图5A和图5B可以看出，本申请的湿度传感器相比于现有技术能够做到快速响应，快速达到稳态,且能够快速的恢复
综上所述，本申请提供的湿度传感器及湿度检测装置，将湿敏材料限制在纳米尺度条件下，从而极大的增大其表体比，从对湿度变化十分的灵敏，有利于实现快速、准确地测量湿度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湿度传感器，其特征在于，包括：
基底；
湿敏材料纳米线；设置于所述基底上，用于进行湿度感应；
电极，接触设置于所述湿敏材料纳米线的两端。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料纳米线的材质包括但不限于：
聚3，4-乙撑二氧噻-聚苯乙烯磺，氧化石墨烯，还原的氧化石墨烯，三硫化磷镍晶体，二硫化钽晶体，二硫化钨。
3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料纳米线为：由直径为纳米级的湿敏颗粒排列成的一维纳米线。
4.根据权利要求3所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏颗粒由导电内层和对湿度敏感的非导电外层组成。
5.根据权利要求4所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏颗粒的直径为：10nm～60nm。
6.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述基底为具有弯曲或拉伸特性的柔性基底；所述基底的厚度范围为20μm-300μm。
7.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述湿敏材料纳米线以阵列的方式设置，所述阵列至少包括但不限于以下其一：直线结构阵列、曲线结构阵列、十字交叉结构阵列以及圆柱结构阵列。
8.根据权利要求7所述的湿度传感器，其特征在于，所述直线结构阵列为在所述基底的表面上形成多个彼此间隔一指定距离的长条形的凸起。
9.根据权利要求8所述的湿度传感器，其特征在于，所述长条形的凸起的高度范围为10nm至200nm；所述长条形的凸起的长度范围为100μm至100mm。
10.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述电极至少包括但不限于以下其一：长条形电极，矩形叉值电极或圆形叉值电极。
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