CN111102996B - 基于纳米纸的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于纳米纸的传感器，包括：纳米纸；石墨烯电极，分别形成于所述纳米纸的上下表面上，所述石墨烯电极包括第一电极及第二电极；还原氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的上表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间；氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的下表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间。本发明提供的基于纳米纸的传感器实现了防盗功能与传感功能的巧妙集成，既有效利用资源又节约空间。

Description

基于纳米纸的传感器
技术领域
本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种基于纳米纸的传感器。
背景技术
文物是历史传承的重要标记，是人类宝贵的文化遗产，具有较高的历史、艺术、科学价值。而且文物是不可再生的文化资源，因此，对文物的保护提出了更高的要求。
随着传感器技术的快速发展，其越来越多的应用于文物保护中。例如，采用温度传感器、湿度传感器监控文物保存环境的温度、湿度等重要参数，以防止由于环境变化而造成文物被腐蚀、耗费。但是，目前用于文物保护的传感器通常采用塑料、橡胶等材料，一方面，塑料、橡胶等材料耐用性较差，随着频繁更新换代会造成资源浪费，另一方面，塑料、橡胶等材料为不可降解材料，也会造成环境污染。
发明内容
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于纳米纸的传感器。
本发明提供一种基于纳米纸的传感器，包括：纳米纸；石墨烯电极，所述石墨烯电极分别形成于所述纳米纸的上下表面上，所述石墨烯电极包括第一电极及第二电极；还原氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的上表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间；氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的下表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间。
根据一些实施方式，所述第二电极与所述第一电极之间的距离为5至10毫米。
根据一些实施方式，所述还原氧化石墨烯和/或氧化石墨烯的厚度为0.2至0.5毫米。
根据一些实施方式，所述还原氧化石墨烯采用掩模遮挡喷涂于所述第一电极与所述第二电极之间；所述氧化石墨烯采用掩模遮挡喷涂于所述第一电极与所述第二电极之间。
根据一些实施方式，裸露的所述纳米纸与所述石墨烯电极形成防盗传感器，当纳米纸被触摸后，由于摩擦起电作用，与所述石墨烯电极的第一电极相连的报警器被触发。
根据一些实施方式，所述纳米纸上表面的石墨烯电极的第一电极及第二电极和所述还原氧化石墨烯作为温度传感器。
根据一些实施方式，所述纳米纸下表面的石墨烯电极的第一电极及第二电极和所述氧化石墨烯作为湿度传感器。
根据一些实施方式，所述石墨烯电极以所述纳米纸为基准呈上下对称分布。
根据一些实施方式，所述纳米纸上下表面的石墨烯电极分别包括多组，沿纳米纸的长度方向上等间距设置。
根据一些实施方式，所述纳米纸由下列方法制备：步骤一，利用纸浆制备得到α-纤维素；步骤二，利用所述α-纤维素制备得到纳米纸原料；步骤三，将所述纳米纸原料浸渍于含有聚乳酸的二氯甲烷溶液，得到改性的纳米纸。
根据一些实施方式，所述二氯甲烷溶液中聚乳酸的质量分数为3％。
本发明的基于纳米纸的传感器的有益效果为：
一、由于采用纳米纸这一无毒、可降解材料作为传感器基质，避免了对环境造成污染；而且，纳米纸强度高、耐用性好，避免了因频繁更新换代所造成的资源浪费；再者，纳米纸因较薄而具有轻便、节约空间等优点，利于传感器的安装及使用。
二、与传统的文物保护防盗系统相比，本发明实施例的基于纳米纸的传感器，利用两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而形成了电流输出，以触发报警器来实现防盗功能，因此，本发明实施例的基于纳米纸的传感器电路及结构简单，成本较低，而且可自驱动，无需外加电源，节约能耗。
三、本发明实施例的基于纳米纸的传感器分别采用还原氧化石墨烯作为温度传感单元、氧化石墨烯作为湿度传感单元，实现高灵敏度高精确性传感。
四、传统的文物保护中，为实现传感器的传感功能与防盗功能通常采用不同的装置，难以有效利用资源，且占用空间较大。本发明实施例的基于纳米纸的传感器实现了防盗功能与传感功能的巧妙集成，既有效利用资源又节约空间。
附图说明
图1为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的纳米纸的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例的纳米纸的扫描电镜图；
图4为图1的俯视图；
图5为图1的仰视图；
图6为本发明实施例的基于纳米纸的传感器在手触碰时的使用状态示意图；
图7为本发明实施例的基于纳米纸的传感器在手离开时的使用状态示意图；
图8为本发明实施例的基于纳米纸的传感器在手触碰过程中所产生的电信号的示意图；
图9为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的温度传感单元在固定湿度(35％)条件下电阻随温度变化的示意图；
图10为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的温度传感单元在固定湿度(35％)条件下电阻对温度实时响应的示意图；
图11为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的温度空间成像图；
图12为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的湿度传感单元在固定温度(25℃)条件下电容随湿度变化的示意图；
图13为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的湿度传感单元在固定温度(25℃)条件下电容对湿度实时响应的示意图；
图14为本发明实施例的基于纳米纸的传感器的湿度空间成像图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于纳米纸的传感器100。本发明实施例的基于纳米纸的传感器100包括纳米纸10、石墨烯电极20、还原氧化石墨烯30及氧化石墨烯40。
如图1所示，纳米纸10作为基质其结构为板状，长度L1为4至6厘米，宽度W1为4至6厘米，厚度H1为0.4至1毫米。
如图2所示，纳米纸10的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，利用纸浆制备得到α-纤维素；
本步骤中，首先将烘干的杨木纸浆用纤维解离机解离，解离得到的纸浆过60目筛进行筛选，称取5克经过筛选而得到的纸浆，并用苯-乙醇混合液抽提5至7小时；其次，将经过抽提的纸浆加入100毫升水、0.7毫升醋酸和1克亚氯酸钠，并在70℃至80℃水浴中加热及机械搅拌1至2小时，搅拌后进行过滤得到纸浆；然后，将过滤得到的纸浆再重复上一步骤的操作3次，可以理解上一步骤即为加入100毫升水、0.7毫升醋酸和1克亚氯酸钠，并在70℃至80℃水浴中加热及机械搅拌1至2小时，搅拌后进行过滤得到纸浆；最后，用含有2％氢氧化钠的溶液(pH值为9至11)处理纸浆而得到α-纤维素。可以理解，本步骤中的纤维解离机可用食品料理机代替。
步骤二，利用α-纤维素制备得到纳米纸原料；
本步骤中，首先将α-纤维素进行离心洗涤，直到α-纤维素的pH值为中性，将经过离心洗涤的α-纤维素进行真空干燥并稀释到5％，得到纳米纤维素水溶胶；然后，将纳米纤维素水溶胶用微孔滤膜抽滤20至40分钟，在滤纸上形成纳米纤维素膜；最后，将形成有纳米纤维素膜的滤纸浸泡在丙酮溶液中，取出后再用丙酮溶液反复洗2至3次，得到透明的纳米纸原料。
步骤三，将纳米纸原料浸渍于含有聚乳酸的二氯甲烷溶液，得到改性的纳米纸。
本步骤中，将透明的纳米纸原料浸渍于含有聚乳酸的二氯甲烷溶液1至2秒，取出得到改性的纳米纸。其中，二氯甲烷溶液中聚乳酸的质量分数为3％。
本发明实施例的纳米纸10的电镜表征结果如图3所示，该纳米纸表面为多级结构，纤维长度为5至10微米，直径为0.5至1微米。
本发明实施例的纳米纸为无毒、可降解材料，其作为传感器基质，可避免对环境造成污染；而且，该纳米纸强度高、耐用性好，避免了因频繁更新换代所造成的资源浪费；再者，该纳米纸因较薄而具有轻便、节约空间等优点，利于传感器的安装及使用。
如图1、图4及图5所示，石墨烯电极20分别于纳米纸10的上表面、下表面光刻形成，并以纳米纸10为基准呈上下对称分布。以纳米纸10上表面为例，来说明石墨烯电极20的具体结构及参数。纳米纸上下表面的石墨烯电极20分别为3组，沿纳米纸10的长度方向上等间距设置。每一组石墨烯电极20包括第一电极22及第二电极24，第二电极24与第一电极22之间的距离D1为5至10毫米。第一电极22作为单电极摩擦发电机电极，长度L2为5至10毫米，宽度W2为5至10毫米，厚度H2为单原子层厚度。第二电极24长度L3为6至12毫米，宽度W3为6至12毫米，厚度H3为单原子层厚度。
如图1、图4及图5所示，还原氧化石墨烯30设置于纳米纸10的上表面。还原氧化石墨烯30采用掩模遮挡喷涂于第一电极22与第二电极24之间。如图4所示，还原氧化石墨烯30长度L4为5至10毫米，宽度W4为3至5毫米，厚度H4为0.2至0.5毫米。
如图1、图4及图5所示，氧化石墨烯40设置于纳米纸10的下表面。氧化石墨烯40采用掩模遮挡喷涂于第一电极22与第二电极24之间。如图5所示，氧化石墨烯40长度L5为5至10毫米，宽度W5为3至5毫米，厚度H5为0.2至0.5毫米。
结合图6及图7，基于纳米纸的传感器100实现防盗功能的工作原理说明如下：
当摩擦电极性为正的手部皮肤接触裸露的纳米纸10时候，由于两者摩擦电极序不同，表面分别带有正负电荷，即手部皮肤带有正电荷，纳米纸10上表面带有负电荷。因为处于电荷平衡，手部皮肤与纳米纸10没有发生电荷移动，未产生电流。当摩擦电极性为正的手部皮肤与纳米纸10分离时，为了平衡纳米纸10上表面的负电荷，第一电极22的正电荷向纳米纸10上表面移动，第一电极22剩下负电荷，因此产生电荷移动和电势差，以触发与第一电极22电连接的报警器，从而实现报警及防盗功能。如图8所示，示出了手触碰本实施例的基于纳米纸的传感器100产生的电信号。
传统的文物保护防盗系统通常采用复杂的电路，且结构复杂，成本较高，而且还需要外加电源。与传统的文物保护防盗系统相比，本发明实施例的基于纳米纸的传感器100，利用两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而形成了电流输出，以触发报警器来实现防盗功能，因此，本发明实施例的基于纳米纸的传感器100电路及结构简单，成本较低，而且可自驱动，无需外加电源，节约能耗。
结合图1及图4，基于纳米纸的传感器100实现温度传感器功能的工作原理及效果说明如下：
还原氧化石墨烯30的电导随温度变化而变化，电导对温度的关系如公式1-1所示。
G＝Gh·exp(-H/T1/3)+Gt (1-1)
其中，G为总电导，H为跳跃参数，Gh为跳跃贡献的电导，Gt为量子隧穿贡献的电导。
本实施例中，石墨烯电极20的第一电极22及第二电极24作为温度传感的两个电极，在第一电极22与第二电极24之间施加1V电压。如图9所示，石墨烯电极20的第一电极22及第二电极24和还原氧化石墨烯30形成温度传感器，在固定湿度(35％)条件下，当温度从24℃增加到30℃时，还原氧化石墨烯30的电阻由200兆欧减小到28兆欧。如图10所示，在固定湿度(35％)条件下，当温度分别为(24℃，25℃，26℃，28℃，30℃)时，还原氧化石墨烯30的电阻逐渐减少，并且电阻值在每一个温度值条件下均可以保持几分钟时间的稳定，这也充分说明还原氧化石墨烯30作为温度传感功能的稳定性。如图11所示，为本发明实施例的基于纳米纸的传感器100的温度空间成像图。
本发明实施例的基于纳米纸的传感器100采用还原氧化石墨烯30作为温度传感单元，利用还原氧化石墨烯电阻随温度响应这一特性，实现高灵敏度高精确性传感。
结合图1及图5，基于纳米纸的传感器100实现湿度传感器功能的工作原理及效果说明如下：
纳米纸下表面的石墨烯电极的第一电极及第二电极和所述氧化石墨烯40作为湿度传感器。当湿度增加时，氧化石墨烯40吸收的水分增加，水分子吸附在氧化石墨烯40的表面，氧化石墨烯40上带有的相邻羟基质子产生跃迁而使得电导增加，从而增加氧化石墨烯40的电容。如图12所示，在固定温度(25℃)条件下，当相对湿度由18％增加到65％时，氧化石墨烯40的电容由0.15皮法增加到0.9皮法。如图13所示，在固定温度(25℃)条件下，当湿度分别为(18％，20％，22％，24％)时，氧化石墨烯40的电容逐渐增加。而且，当湿度恢复到环境湿度后，氧化石墨烯40的电容很快恢复到室温电容，这也充分说明氧化石墨烯40作为湿度传感功能的可逆性。如图14所示，为本发明实施例的基于纳米纸的传感器100的湿度空间成像图。
本发明实施例的基于纳米纸的传感器100采用氧化石墨烯40作为湿度传感单元，利用氧化石墨烯电容随湿度响应这一特性，实现高灵敏度高精确性传感。
本发明实施例的基于纳米纸的传感器100的有益效果为：
一方面，由于采用纳米纸这一无毒、可降解材料作为传感器基质，避免了对环境造成污染；而且，纳米纸强度高、耐用性好，避免了因频繁更新换代所造成的资源浪费；再者，纳米纸因较薄而具有轻便、节约空间等优点，利于传感器的安装及使用。
另一方面，传统的文物保护中，为实现传感器的传感功能与防盗功能通常采用不同的装置，难以有效利用资源，且占用空间较大。本发明实施例的基于纳米纸的传感器100实现了防盗功能与传感功能的巧妙集成，既有效利用资源又节约空间。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (8)

1.一种基于纳米纸的传感器，其特征在于，包括：
纳米纸；
石墨烯电极，所述石墨烯电极分别形成于所述纳米纸的上下表面上，所述石墨烯电极包括第一电极及第二电极；
还原氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的上表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间；及
氧化石墨烯，设置于所述纳米纸的下表面的所述石墨烯电极的第一电极和第二电极之间；
裸露的所述纳米纸与所述石墨烯电极形成防盗传感器，当纳米纸被触摸后，由于摩擦起电作用，与所述石墨烯电极的第一电极相连的报警器被触发；
所述纳米纸上表面的石墨烯电极的第一电极及第二电极和所述还原氧化石墨烯作为温度传感器；
所述纳米纸下表面的石墨烯电极的第一电极及第二电极和所述氧化石墨烯作为湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二电极与所述第一电极之间的距离为5至10毫米。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述还原氧化石墨烯和/或氧化石墨烯的厚度为0.2至0.5毫米。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述还原氧化石墨烯采用掩模遮挡喷涂于所述第一电极与所述第二电极之间；所述氧化石墨烯采用掩模遮挡喷涂于所述第一电极与所述第二电极之间。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯电极以所述纳米纸为基准呈上下对称分布。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述纳米纸上下表面的石墨烯电极分别包括多组，沿纳米纸的长度方向上等间距设置。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述纳米纸由下列方法制备：
步骤一，利用纸浆制备得到α-纤维素；
步骤二，利用所述α-纤维素制备得到纳米纸原料；
步骤三，将所述纳米纸原料浸渍于含有聚乳酸的二氯甲烷溶液，得到改性的纳米纸。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述二氯甲烷溶液中聚乳酸的质量分数为3％。
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