CN113311028B - 一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底包括自下到上依次分布的纸铝塑包装材料下层聚乙烯、纸铝塑包装材料纸板层、纸铝塑包装材料中层聚乙烯、纸铝塑包装材料上层聚乙烯、纸铝塑包装材料上层聚乙烯及纸铝塑包装材料顶层聚乙烯，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底上设置有缺口，所述缺口穿过纸铝塑包装材料铝箔层、纸铝塑包装材料中层聚乙烯及纸铝塑包装材料纸板层，纸层‑氯化锂湿敏体系位于所述缺口内，该传感器能够有效回收利用纸铝塑包装材料。

Description

一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器
技术领域
本发明涉及一种柔性湿敏传感器，涉及一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器。
背景技术
智慧化、现代化是今后农业生产的发展方向，实现植物生长状况的实时监测，并根据生长状况自动进行灌溉、控温、施肥等农业工作。达到这一目标的核心技术是各类农用传感器，检测作物生长环境的光照、温度、湿度、CO2浓度等指标。而农业生产区域大、周期长的特点使得传感器必须具有成本低、稳定性好的特点，与工业和科研需求相比对精度的要求偏低。目前已有的农用湿敏传感器仍存在着成本较高的弊端。
电子皮肤是近年来提出的重要信息化检测装备，而其核心部件之一是智能可穿戴柔性湿度传感器，通过该传感器可以检测人体皮肤表面湿度，从而反映人体的健康情况以及所处环境情况。可以广泛应用于远程医疗、健康设备等领域。但目前我国在该领域的研究仍处于实验室阶段，传感器的加工工序复杂、集成困难，与发达国家相比存在着较大差距。
湿敏传感器根据原理可分为电阻式、电容式和称重式湿敏传感器。电阻式传感器使用具有吸水性的材料制备而成，吸收水蒸气使得材料电阻发生改变。电容式湿敏传感器的原理是利用含有吸水基团高聚物，吸附环境水蒸气，使得聚合物的介电常数发生变化，改变传感器的电容值。称重式传感器同样使用吸湿性能较好的材料，但并非利用材料的电学性能，而是称量其质量确定吸水量，从而得到环境湿度。基于前两种原理的传感器灵敏度高、稳定性强。
以利乐包装为代表的纸铝塑包装材料广泛用于奶制品、果汁饮料等饮品，该包装材料由纸、铝、聚乙烯塑料组成的六层复合结构构成。纸铝塑材料复杂的结构为饮品包装带来保鲜便携的优点也造成了废旧包装回收利用的难题。针对废旧纸铝塑包装材料的回收利用主要有两种思路，第一种思路是将包装材料中的各层结构分离为纸板、铝和聚乙烯分别使用三种材料的回收方式加以处理，但这种方式忽略了纸铝塑材料本身多层的结构特点，造成其价值的浪费；而另一种思路则是将利用纸铝塑材料结构稳定的特点，将废旧包装粉碎热压，制作成板材等，上海世博会中也曾展出纸铝塑包装材料制成的座椅，但一把座椅需要由成百上千个饮品盒制成，成本和难度极高，在实际生活中很难投入使用。无论哪一种方式都需要耗费一笔不菲的财力物力，这也造成了我国纸铝塑材料回收率极低的现状，存在着较大空白。如何在保证纸铝塑材料结构不变的前提下有效提高其附加值从而达到回收利用的目的，是本领域当前的重难点问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，该传感器能够有效回收利用纸铝塑包装材料。
为达到上述目的，本发明所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器包括纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底及纸层-氯化锂湿敏体系，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底包括自下到上依次分布的纸铝塑包装材料下层聚乙烯、纸铝塑包装材料纸板层、纸铝塑包装材料中层聚乙烯、纸铝塑包装材料上层聚乙烯、纸铝塑包装材料上层聚乙烯及纸铝塑包装材料顶层聚乙烯，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底上设置有缺口，所述缺口穿过纸铝塑包装材料铝箔层、纸铝塑包装材料中层聚乙烯及纸铝塑包装材料纸板层，纸层-氯化锂湿敏体系位于所述缺口内。
在制作时，首先将纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底中部的纸铝塑包装材料顶层聚乙烯、纸铝塑包装材料上层聚乙烯、纸铝塑包装材料铝箔层及纸铝塑包装材料中层聚乙烯剥开露出纸铝塑包装材料纸板层，形成缺口，使用阻隔扩散法避免氯化锂溶液向未剥开部分的纸铝塑包装材料纸板层渗透，配制氯化锂溶液，将氯化锂溶液均匀涂布在露出的纸铝塑包装材料纸板层上，使用多次烘干法在加热板上交替进行加热烘干及均匀涂布操作，最终在露出的纸铝塑包装材料纸板层上形成均匀稳定的氯化锂晶粒体系，得纸层-氯化锂湿敏体系。
还包括设置于纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底两侧的电极。
在使用时，通过测定传感器的电阻值，再与标定数据表进行对照，得环境湿度。
烘干过程中的温度为75-80℃。
纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底缺口的宽度为3-5mm。
当氯化锂溶液浓度越低，则传感器能够测量的相对湿度越大。
电极为铝箔层。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器在具体操作时，以纸铝塑包装材料作为柔性湿敏传感器基底制作柔性湿敏传感器，以实现纸铝塑包装材料的回收利用，具有性能良好、成本低廉、应用广泛的特点，同时，实现固废资源的充分有效利用，具有绿色环保、创新性强、成本极低的优点。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为实施例一的实物图；
图3为实施例一的响应-回复曲线图；
图4为实施例二的标定曲线图；
图5为实施例三的农用系统实物图。
其中，1为纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底、2为纸层-氯化锂湿敏体系、3为纸铝塑包装材料顶层聚乙烯、4为纸铝塑包装材料上层聚乙烯、5为纸铝塑包装材料铝箔层、6为纸铝塑包装材料中层聚乙烯、7为纸铝塑包装材料纸板层、8为纸铝塑包装材料下层聚乙烯。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器包括纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1及纸层-氯化锂湿敏体系2，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1包括自下到上依次分布的纸铝塑包装材料下层聚乙烯8、纸铝塑包装材料纸板层7、纸铝塑包装材料中层聚乙烯6、纸铝塑包装材料上层聚乙烯4、纸铝塑包装材料上层聚乙烯4及纸铝塑包装材料顶层聚乙烯3，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1上设置有缺口，所述缺口穿过纸铝塑包装材料铝箔层5、纸铝塑包装材料中层聚乙烯6及纸铝塑包装材料纸板层7，纸层-氯化锂湿敏体系2位于所述缺口内，纸铝塑包装材料顶层聚乙烯3及纸铝塑包装材料上层聚乙烯4均位于所述缺口的两侧。
在制作时，首先将纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1中部的纸铝塑包装材料顶层聚乙烯3、纸铝塑包装材料上层聚乙烯4、纸铝塑包装材料铝箔层5及纸铝塑包装材料中层聚乙烯6剥开露出纸铝塑包装材料纸板层7，使用阻隔扩散法避免氯化锂溶液向未剥开部分的纸铝塑包装材料纸板层7渗透，配置氯化锂溶液，将少量氯化锂溶液均匀涂布在露出的纸铝塑包装材料纸板层7上，使用多次烘干法在加热板上交替进行加热烘干及均匀涂布操作，最终在露出的纸铝塑包装材料纸板层7上形成均匀稳定的氯化锂晶粒体系，得纸层-氯化锂湿敏体系2；
在纸铝塑包括材料两侧分别利用铝箔层制作电极，通过测定传感器的电阻值即可确定环境湿度，使用过程中只需将本发明置于一定湿度的环境中，通过伏安法测定本发明的电阻，再与标定数据表对照，即可得到环境湿度。
阻隔扩散法的具体操作过程为：将露出的纸铝塑包装材料纸板层7(7)与浸润氯化锂溶液的纸层-氯化锂湿敏体系2之间部分切割分离，只留部分纸铝塑包装材料纸板层7及纸铝塑包装材料下层聚乙烯8。可通过这种工艺提高传感器的可重复性。
制备该湿敏传感器过程中使用到的多次烘干法的具体操作为：
在未被剥开的纸铝塑包装材料纸板层7上均匀涂布氯化锂溶液后再经阻隔扩散法处理，然后置于恒温加热台上烘干，设置温度为75-80℃。待析出大量白色晶体后取出，再滴加氯化锂溶液并涂布均匀，然后加热烘干，重复以上步骤，直至析出的白色晶体分布达到均匀稳定。
纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1由以饮品盒利乐包装为代表的纸铝塑包装材料制成，本发明既可以使用崭新的纸铝塑包装材料作为基底，也可以使用废旧利乐包装以达到回收利用的目的。
纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底1缺口的宽度为3-5mm，宽度过小会使得传感器灵敏度变低，宽度过大，则会导致传感器稳定性下降。
氯化锂溶液的浓度根据实际所需测量量程决定，氯化锂溶液浓度较低时，传感器可测的相对湿度值较大。
实施例一
参考图2，本发明由牛奶盒所用纸铝塑材料制成，长为5cm，宽为0.8cm，为引出传感器电极，使用热熔法将材料两端各宽为0.5cm的顶层和上层聚乙烯层熔化，露出铝箔层与电阻测量电路相连。为减小纸层-氯化锂湿敏体系2和两端铝箔的接触电阻，在接合处采用热熔法露出铝箔层，以增强导电性。
本发明在室温、相对湿度25％的条件下的电阻值约为1GΩ，向传感器哈气后可瞬间变为约100MΩ，并在较短的时间内恢复为原值，图3为哈气实验中传感器的电流曲线图，选择哈气的方式测定传感器性能是由于人哈出的气体湿度较高，可以使得传感器所处环境湿度在短时间内升高。为符合人们湿度越大示数越大的习惯，选择绘制固定0.5V电压下流经传感器的电流响应-回复曲线。从图3中可以看出，哈气后传感器电流瞬间攀升至峰值，多次实验后的平均响应时间为1.21s，此后迅速下降，并在平均19.28s的时间中回复到峰值电流的10％，响应和恢复时间较快。同时多次响应后，传感器总能恢复到稳态值，传感器有着良好的稳定性。
由于传感器对环境湿度的瞬时变化有着较好的响应和回复速度，具有很好的柔性，因此可用于医疗健康领域，制造为可穿戴设备，以监测人的呼吸节律、呼出气体湿度等指标。
实施例二
参考图4，将本发明置于室温下不同湿度的环境中一段时间中，达到稳态后测定传感器的示数，并绘制标定曲线，可以看出该传感器有着很好的线性度，线性拟合优度为0.9903，传感器在很短的时间内即可达到稳态，同时具有良好的线性度。
由于传感器的稳定性好，进入稳态的调整时间短，线性度好，具有很好的柔性，因此可用于电子皮肤，测定穿戴者的皮肤表面湿度，用于远程医疗、健康监测以及军事救援等领域。
实施例三
参考图5，将本发明封装起来，并使用单片机搭建控制电路，制造出一款农用湿敏传感器，将本发明与一定值电阻串联分压，并将中间节点电压信号传入单片机中，单片机便可以通过监测电压信号得到传感器的电阻值，设定五个阈值，从大到小分别称为阈值1、阈值2、阈值3、阈值4及阈值5。当外界湿度改变使得传感器电阻值变小至小于阈值1，则一盏LED灯亮起，小于阈值2后，两盏LED灯亮起，依次类推。则可通过观察LED灯亮起的个数清晰直观地确定当前环境中的空气湿度，同时该设备还可搭载蓝牙设备，并结合微信小程序，空气湿度数据可同步上传至服务器中并通过手机查看。图5共由四张图构成，左一表示传感器处于静息条件下，五盏灯全部关闭。向传感器轻轻哈气，传感器迅速亮起四盏灯如左二所示。之后传感器恢复稳态，四盏灯分别熄灭，如右二、右一。
由于传感器的响应速度快，搭载单片机和LED灯后可以清晰直观地得到环境当前湿度，并根据灯的亮灭可分别对应得到灌溉和贮藏建议，同时成本极低，因此可用于智慧农业中温室、大棚内的空气湿度监测指导灌溉，也可用于粮仓等场所监控粮食贮藏状况。

Claims (6)

1.一种基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，包括纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)及纸层-氯化锂湿敏体系(2)，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)包括自下到上依次分布的纸铝塑包装材料下层聚乙烯(8)、纸铝塑包装材料纸板层(7)、纸铝塑包装材料中层聚乙烯(6)、纸铝塑包装材料上层聚乙烯(4)及纸铝塑包装材料顶层聚乙烯(3)，其中，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)上设置有缺口，所述缺口穿过纸铝塑包装材料铝箔层(5)、纸铝塑包装材料中层聚乙烯(6)及纸铝塑包装材料纸板层(7)，纸层-氯化锂湿敏体系(2)位于所述缺口内；
还包括设置于纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)两侧的电极；
电极为铝箔层。
2.根据权利要求1所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，在制作时，首先将纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)中部的纸铝塑包装材料顶层聚乙烯(3)、纸铝塑包装材料上层聚乙烯(4)、纸铝塑包装材料铝箔层(5)及纸铝塑包装材料中层聚乙烯(6)剥开露出纸铝塑包装材料纸板层(7)，形成缺口，使用阻隔扩散法避免氯化锂溶液向未剥开部分的纸铝塑包装材料纸板层(7)渗透，配制氯化锂溶液，将氯化锂溶液均匀涂布在露出的纸铝塑包装材料纸板层(7)上，使用多次烘干法在加热板上交替进行加热烘干及均匀涂布操作，最终在露出的纸铝塑包装材料纸板层(7)上形成均匀稳定的氯化锂晶粒体系，得纸层-氯化锂湿敏体系(2)。
3.根据权利要求2所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，在使用时，通过测定传感器的电阻值，再与标定数据表进行对照，得环境湿度。
4.根据权利要求2所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，烘干过程中的温度为75-80℃。
5.根据权利要求2所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，纸铝塑包装材料构成的柔性湿敏传感器基底(1)缺口的宽度为3-5mm。
6.根据权利要求2所述的基于纸铝塑包装材料的柔性湿敏传感器，其特征在于，当氯化锂溶液浓度越低，则传感器能够测量的相对湿度越大。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Li Chen

Inventor after: Zhao Zhenhua

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GR01 Patent grant
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