本發(fā)明屬于柔性電子器件的，具體涉及一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、濕度作為重要的環(huán)境參數(shù)之一，在智能監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，對(duì)此，用于監(jiān)測(cè)濕度的濕度傳感器已成為一種廣泛使用的傳感器。現(xiàn)有的濕度傳感器可分為許多類型，包括電阻式、電容式、阻抗式、石英晶體微天平(qcm)、表面聲波(saw)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)和光纖濕度傳感器。目前，商用的傳統(tǒng)濕度傳感器多為剛性，具有機(jī)械脆性，不能維持較大的形變和瞬時(shí)的沖擊等，由其制制備的傳感器不靈活且易損壞，也很難適用于諸如彎曲表面的濕度探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。相對(duì)的，柔性濕度傳感器的柔韌性適用于各種物體表面以擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、食品安全監(jiān)測(cè)、工業(yè)檢測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和非接觸式人機(jī)交互等領(lǐng)域。

2、濕度敏感層的敏感材料的選擇和傳感層的制備方法至關(guān)重要。目前，商業(yè)最常用的電阻式柔性濕度傳感器生產(chǎn)成本高、制備工藝流程復(fù)雜，敏感材料多為液態(tài)，以滴涂、旋涂濕度敏感層的方式居多，不利于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。近來(lái)，一維納米纖維由于其比表面積高，易于形成孔隙結(jié)構(gòu)增加水分子結(jié)合活性位點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，也被開發(fā)用于制備濕度傳感器的敏感材料。然而，現(xiàn)有的一些基于一維納米纖維制備的濕度傳感器仍存在著線性響應(yīng)范圍過(guò)窄，響應(yīng)速度較慢，受環(huán)境影響較大的缺陷。

3、因此，制備一種成本低廉，工藝簡(jiǎn)單且具有良好濕敏性能的柔性電阻式濕度傳感器，滿足柔性濕度傳感器適配多樣化實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需求具有深遠(yuǎn)的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器的制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是：

3、一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)取醋酸銀和醋酸鋅溶于去離子水中，待溶解完全后，依次加入無(wú)水乙醇，異丙醇胺，peo，將溶液密封，攪拌混合均勻得到無(wú)顆粒油墨；

5、(2)清除柔性基底表面的污染物，在柔性基底的頂面將無(wú)顆粒油墨通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝形成電極；

6、(3)在電極頂面通過(guò)電紡直寫技術(shù)沉積前驅(qū)體纖維，所述前驅(qū)體纖維為zn/ag/peo前驅(qū)體纖維；

7、(4)前驅(qū)體纖維沉積完成后，放置于高溫?zé)Y(jié)臺(tái)燒結(jié)處理，形成zn/ag/peo納米線，自然冷卻至常溫；

8、(5)冷卻至常溫后，將電極由導(dǎo)線引出，即得柔性電阻式濕度傳感器。

9、進(jìn)一步地，所述電極為叉指電極。

10、更進(jìn)一步地，所述前驅(qū)體纖維是通過(guò)電紡直寫技術(shù)在垂直于電極的叉指方向來(lái)回直寫沉積多層得到的。

11、更進(jìn)一步地，所述前驅(qū)體纖維是通過(guò)電紡直寫技術(shù)在垂直于電極的叉指方向來(lái)回直寫沉積100層得到的。

12、更進(jìn)一步地，所述電極原料包括但不限于ag、cu、ni和au的單個(gè)或多個(gè)金屬；

13、更進(jìn)一步地，所述電極設(shè)計(jì)為20對(duì)40指，每一個(gè)叉指尺寸為100μm×100μm，叉指縫為100μm。

14、進(jìn)一步地，所述無(wú)顆粒油墨的配置是1.4％醋酸銀含量，3.5％醋酸鋅含量，14％peo含量，水和無(wú)水乙醇體積比為1:2，銀鋅比為1:2；，

15、進(jìn)一步地，所使用的柔性基底為厚度為1mm的聚酰亞胺；

16、進(jìn)一步地，所述電紡直寫技術(shù)是將油墨儲(chǔ)存在注射器通過(guò)精密注泵輸送到針頭，柔性基底由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡沉積納米纖維；

17、進(jìn)一步地，所述zn/ag/peo納米線是在高溫?zé)Y(jié)臺(tái)用50℃燒結(jié)60分鐘后形成的；所述zn/ag/peo納米線具有一種一維多孔狀仿生納米結(jié)構(gòu)。

18、相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器，由上述的制備方法制得，所述柔性電阻式濕度傳感器包括柔性基底、電極和濕度敏感材料層；所述電極設(shè)置在所述柔性基底的頂面，所述濕度敏感材料層設(shè)置在所述電極的頂面，所述電極由導(dǎo)線引出；所述濕度敏感材料層為zn/ag/peo納米線。

19、本發(fā)明還提供了上述的柔性電阻式濕度傳感器的應(yīng)用，將所述柔性電阻式濕度傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，所述檢測(cè)領(lǐng)域包括但不限于食品安全檢測(cè)、工業(yè)檢測(cè)。

20、進(jìn)一步地，所述柔性電阻式濕度傳感器工作的相對(duì)濕度范圍為11％～85％rh。

21、進(jìn)一步地，所述柔性電阻式濕度傳感器工作的溫度范圍為0℃～120℃。

22、本發(fā)明的有益效果是：

23、1)本發(fā)明的柔性電阻式濕度傳感器設(shè)計(jì)相對(duì)于其它柔性電阻式濕度傳感器制備，成本更低且更有益于大規(guī)模生產(chǎn)；

24、2)本發(fā)明的柔性電阻式濕度傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳統(tǒng)多點(diǎn)觸摸傳感器簡(jiǎn)單，工藝步驟少,更易于制作；

25、3)本發(fā)明所采用的基底材料柔軟度好，在多次重復(fù)0-90°的彎曲變化下電阻變化率均保持在3.97％左右，表明功能材料層受彎曲變形的影響很小,可以廣泛使用在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備等更多領(lǐng)域。

26、4)本發(fā)明的柔性電阻式濕度傳感器具有靈活性和可拓展性，僅需改變纖維堆疊層數(shù)和燒結(jié)時(shí)間即可設(shè)計(jì)出多種響應(yīng)性能適應(yīng)不同場(chǎng)景需求；可以在包括食品安全檢測(cè)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用，其形狀可以根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)，具有廣闊應(yīng)用前景。

27、5)本發(fā)明濕度敏感材料層以獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)使得傳感器環(huán)境耐受性高，在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境中不會(huì)損壞。本發(fā)明柔性電阻式濕度傳感器相對(duì)于其它柔性電阻式濕度傳感器達(dá)到更寬的11.30％rh-81.70％rh的線性濕度響應(yīng)范圍、更高的3kω/1％rh靈敏度，具有2％rh的濕度滯后以及1.7s的快速響應(yīng)時(shí)間。在高濕環(huán)境下(81.70％rh)下平均電阻變化率為2.8％，低濕環(huán)境下(11.30％rh)下平均電阻變化率為2.4％，高溫環(huán)境下(100℃)下電阻變化率小于1.2％，低溫環(huán)境下(0℃)下電阻變化率小于0.4％,表明其同時(shí)具有較低的環(huán)境溫度依賴性和可良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在復(fù)雜環(huán)境中可以持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)濕度特征。

28、6)本發(fā)明采用電紡直寫技術(shù)合成濕度敏感材料層一維納米纖維，具有尺度小精度高、成本效益低、基底通用性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述電極為叉指電極。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體纖維是通過(guò)電紡直寫技術(shù)在垂直于電極的叉指方向來(lái)回直寫沉積多層得到的。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述前驅(qū)體纖維是通過(guò)電紡直寫技術(shù)在垂直于電極的叉指方向來(lái)回直寫沉積100層得到的。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述電極原料包括但不限于ag、cu、ni和au的單個(gè)或多個(gè)金屬；和/或，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述無(wú)顆粒油墨的配置是1.4％醋酸銀含量，3.5％醋酸鋅含量，14％peo含量，水和無(wú)水乙醇體積比為1:2，銀鋅比為1:2；和/或，

7.一種基于zn/ag/peo納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器，其特征在于，由權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的制備方法制得，所述柔性電阻式濕度傳感器包括柔性基底、電極和濕度敏感材料層；所述電極設(shè)置在所述柔性基底的頂面，所述濕度敏感材料層設(shè)置在所述電極的頂面，所述電極由導(dǎo)線引出；所述濕度敏感材料層為zn/ag/peo納米線。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柔性電阻式濕度傳感器的應(yīng)用，其特征在于，將所述柔性電阻式濕度傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，所述檢測(cè)領(lǐng)域包括但不限于食品安全檢測(cè)、工業(yè)檢測(cè)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述柔性電阻式濕度傳感器工作的相對(duì)濕度范圍為11％～85％rh。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述柔性電阻式濕度傳感器工作的溫度范圍為0℃～120℃。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于Zn/Ag/PEO納米線堆疊的柔性電阻式濕度傳感器的制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明將無(wú)顆粒油墨放入電紡直寫設(shè)備中，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)垂直于叉指電極方向的軌跡在薄膜上沉積多層具有一定結(jié)構(gòu)形貌的Zn/Ag/PEO導(dǎo)電纖維，燒結(jié)形成具有優(yōu)異濕度響應(yīng)性能與環(huán)境耐受性的柔性濕度傳感器。本發(fā)明所制備的柔性電阻式濕度傳感器具有優(yōu)異的濕敏特性，響應(yīng)靈敏度高、響應(yīng)范圍寬、穩(wěn)定性高。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭高峰,何沁彤,杜賢若,鄭晨祺,陳瑞欣,王以諾,張陳濤,徐周毅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6