一种基于Zn/Ag/PEO纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法和应用

本发明属于柔性电子器件的，具体涉及一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法和应用。

背景技术：

1、湿度作为重要的环境参数之一，在智能监测等领域都有着重要的应用，对此，用于监测湿度的湿度传感器已成为一种广泛使用的传感器。现有的湿度传感器可分为许多类型，包括电阻式、电容式、阻抗式、石英晶体微天平(qcm)、表面声波(saw)、场效应晶体管(fet)和光纤湿度传感器。目前，商用的传统湿度传感器多为刚性，具有机械脆性，不能维持较大的形变和瞬时的冲击等，由其制制备的传感器不灵活且易损坏，也很难适用于诸如弯曲表面的湿度探测等应用场景。相对的，柔性湿度传感器的柔韧性适用于各种物体表面以扩宽其应用领域，包括但不限于应用于健康监测、食品安全监测、工业检测、空气质量监测和非接触式人机交互等领域。

2、湿度敏感层的敏感材料的选择和传感层的制备方法至关重要。目前，商业最常用的电阻式柔性湿度传感器生产成本高、制备工艺流程复杂，敏感材料多为液态，以滴涂、旋涂湿度敏感层的方式居多，不利于工业化生产应用。近来，一维纳米纤维由于其比表面积高，易于形成孔隙结构增加水分子结合活性位点的优点，也被开发用于制备湿度传感器的敏感材料。然而，现有的一些基于一维纳米纤维制备的湿度传感器仍存在着线性响应范围过窄，响应速度较慢，受环境影响较大的缺陷。

3、因此，制备一种成本低廉，工艺简单且具有良好湿敏性能的柔性电阻式湿度传感器，满足柔性湿度传感器适配多样化实际生产应用的需求具有深远的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法和应用。

2、本发明采取的具体技术方案是：

3、一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)取醋酸银和醋酸锌溶于去离子水中，待溶解完全后，依次加入无水乙醇，异丙醇胺，peo，将溶液密封，搅拌混合均匀得到无颗粒油墨；

5、(2)清除柔性基底表面的污染物，在柔性基底的顶面将无颗粒油墨通过丝网印刷工艺形成电极；

6、(3)在电极顶面通过电纺直写技术沉积前驱体纤维，所述前驱体纤维为zn/ag/peo前驱体纤维；

7、(4)前驱体纤维沉积完成后，放置于高温烧结台烧结处理，形成zn/ag/peo纳米线，自然冷却至常温；

8、(5)冷却至常温后，将电极由导线引出，即得柔性电阻式湿度传感器。

9、进一步地，所述电极为叉指电极。

10、更进一步地，所述前驱体纤维是通过电纺直写技术在垂直于电极的叉指方向来回直写沉积多层得到的。

11、更进一步地，所述前驱体纤维是通过电纺直写技术在垂直于电极的叉指方向来回直写沉积100层得到的。

12、更进一步地，所述电极原料包括但不限于ag、cu、ni和au的单个或多个金属；

13、更进一步地，所述电极设计为20对40指，每一个叉指尺寸为100μm×100μm，叉指缝为100μm。

14、进一步地，所述无颗粒油墨的配置是1.4％醋酸银含量，3.5％醋酸锌含量，14％peo含量，水和无水乙醇体积比为1:2，银锌比为1:2；，

15、进一步地，所使用的柔性基底为厚度为1mm的聚酰亚胺；

16、进一步地，所述电纺直写技术是将油墨储存在注射器通过精密注泵输送到针头，柔性基底由运动平台驱动，用于根据预先设计的轨迹沉积纳米纤维；

17、进一步地，所述zn/ag/peo纳米线是在高温烧结台用50℃烧结60分钟后形成的；所述zn/ag/peo纳米线具有一种一维多孔状仿生纳米结构。

18、相应地，本发明还提供了一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器，由上述的制备方法制得，所述柔性电阻式湿度传感器包括柔性基底、电极和湿度敏感材料层；所述电极设置在所述柔性基底的顶面，所述湿度敏感材料层设置在所述电极的顶面，所述电极由导线引出；所述湿度敏感材料层为zn/ag/peo纳米线。

19、本发明还提供了上述的柔性电阻式湿度传感器的应用，将所述柔性电阻式湿度传感器在检测领域中的应用，所述检测领域包括但不限于食品安全检测、工业检测。

20、进一步地，所述柔性电阻式湿度传感器工作的相对湿度范围为11％～85％rh。

21、进一步地，所述柔性电阻式湿度传感器工作的温度范围为0℃～120℃。

22、本发明的有益效果是：

23、1)本发明的柔性电阻式湿度传感器设计相对于其它柔性电阻式湿度传感器制备，成本更低且更有益于大规模生产；

24、2)本发明的柔性电阻式湿度传感器在结构上比传统多点触摸传感器简单，工艺步骤少,更易于制作；

25、3)本发明所采用的基底材料柔软度好，在多次重复0-90°的弯曲变化下电阻变化率均保持在3.97％左右，表明功能材料层受弯曲变形的影响很小,可以广泛使用在生物医学和可穿戴设备等更多领域。

26、4)本发明的柔性电阻式湿度传感器具有灵活性和可拓展性，仅需改变纤维堆叠层数和烧结时间即可设计出多种响应性能适应不同场景需求；可以在包括食品安全检测、工业检测等领域应用，其形状可以根据功能需求设计，具有广阔应用前景。

27、5)本发明湿度敏感材料层以独特的纤维结构使得传感器环境耐受性高，在高温、高湿度等恶劣环境中不会损坏。本发明柔性电阻式湿度传感器相对于其它柔性电阻式湿度传感器达到更宽的11.30％rh-81.70％rh的线性湿度响应范围、更高的3kω/1％rh灵敏度，具有2％rh的湿度滞后以及1.7s的快速响应时间。在高湿环境下(81.70％rh)下平均电阻变化率为2.8％，低湿环境下(11.30％rh)下平均电阻变化率为2.4％，高温环境下(100℃)下电阻变化率小于1.2％，低温环境下(0℃)下电阻变化率小于0.4％,表明其同时具有较低的环境温度依赖性和可良的长期稳定性，在复杂环境中可以持续稳定地监测湿度特征。

28、6)本发明采用电纺直写技术合成湿度敏感材料层一维纳米纤维，具有尺度小精度高、成本效益低、基底通用性高等优点。

技术特征：

1.一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电极为叉指电极。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体纤维是通过电纺直写技术在垂直于电极的叉指方向来回直写沉积多层得到的。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体纤维是通过电纺直写技术在垂直于电极的叉指方向来回直写沉积100层得到的。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述电极原料包括但不限于ag、cu、ni和au的单个或多个金属；和/或，

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无颗粒油墨的配置是1.4％醋酸银含量，3.5％醋酸锌含量，14％peo含量，水和无水乙醇体积比为1:2，银锌比为1:2；和/或，

7.一种基于zn/ag/peo纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器，其特征在于，由权利要求1-6任意一项所述的制备方法制得，所述柔性电阻式湿度传感器包括柔性基底、电极和湿度敏感材料层；所述电极设置在所述柔性基底的顶面，所述湿度敏感材料层设置在所述电极的顶面，所述电极由导线引出；所述湿度敏感材料层为zn/ag/peo纳米线。

8.根据权利要求7所述的柔性电阻式湿度传感器的应用，其特征在于，将所述柔性电阻式湿度传感器在检测领域中的应用，所述检测领域包括但不限于食品安全检测、工业检测。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述柔性电阻式湿度传感器工作的相对湿度范围为11％～85％rh。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述柔性电阻式湿度传感器工作的温度范围为0℃～120℃。

技术总结本发明公开了一种基于Zn/Ag/PEO纳米线堆叠的柔性电阻式湿度传感器的制备方法和应用，本发明将无颗粒油墨放入电纺直写设备中，根据预先设计垂直于叉指电极方向的轨迹在薄膜上沉积多层具有一定结构形貌的Zn/Ag/PEO导电纤维，烧结形成具有优异湿度响应性能与环境耐受性的柔性湿度传感器。本发明所制备的柔性电阻式湿度传感器具有优异的湿敏特性，响应灵敏度高、响应范围宽、稳定性高。技术研发人员：郑高峰,何沁彤,杜贤若,郑晨祺,陈瑞欣,王以诺,张陈涛,徐周毅受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6