[发明专利]一种基于高分子聚合物的柔性湿度传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于高分子聚合物的柔性湿度传感器及其制备方法，属于智能穿戴传感器技术领域。该柔性湿度传感器包括柔性衬底和由导电纳米颗粒通过磁控溅射形成于柔性衬底上的柔性电极，柔性电极位于柔性衬底之间，柔性衬底是由掺杂有湿敏材料的高分子聚合物纺丝液通过静电纺丝形成的湿敏聚合物薄膜。本发明采用静电纺丝技术与磁控溅射技术相结合制备得到夹层结构的柔性湿度传感器，其具有良好的柔性和循环使用性，同时对湿度的响应快，器件结构简单且设计灵活，可替代现有的金属电极用于智能穿戴领域。

技术领域

本发明属于智能穿戴传感器技术领域，特别涉及一种基于高分子聚合物的柔性湿度传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着物联网、人机界面等智能技术的快速发展，各种用于空气质量监测、疾病筛查与诊断、人体运动检测的设备应运而生。湿度是空气的基本指标之一，对工农业生产和人们的日常生活都有重要影响。作为一种湿度检测工具，柔性电子湿度传感器因其在可穿戴电子产品、智能纺织品、电子皮肤和软机器人等领域的广泛应用而备受关注。专利(专利号为ZL201710071249.5)公开了一种光纤光栅湿度传感器，包括湿度传感器支架和湿度传感器，湿度传感器支架包括宽槽段、窄槽段和连接宽槽段与窄槽段的凹陷段，湿度传感器包括薄膜、轻质连接片和刻有光栅的光纤。此发明采用的薄膜大幅提升了传感器的动态范围及对湿度的响应范围，且避免薄膜应力不均或边缘翘曲引起的光栅啁啾效应，提高传感器的探测精度。但此类传统湿度传感器多为刚性材料，不具有柔性，很难适用于表面弯曲的触觉探测等，因此急需开发具备灵敏度高、灵活性强、柔性可穿戴为一体的新型湿度传感器。

在普通的柔性传感器件中，电极材料与柔性基底复合也是关键步骤，专利申请(申请号为201811592324.3)公开了一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，该柔性湿度传感器包括基于柔性基底的电极层和湿敏聚合物薄膜，以静电纺丝纳米纤维膜作为柔性基底，在其表面通过丝网印刷技术印刷导电材料，将具有湿敏功能的静电纺丝纳米纤维膜通过热压技术与电极层进行复合得到，但是采用常规的丝网印刷、光刻、蒸镀或旋涂等工艺将电极形成于基底上存在制备工艺复杂和电极柔性的问题，同时电极与湿敏聚合物薄膜的复合会降低湿度传感器的柔性，极大地增加了器件制备过程的难度，难以实现快速大规模生产。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种基于高分子聚合物的柔性湿度传感器，该柔性湿度传感器包括柔性衬底和由导电纳米颗粒通过磁控溅射形成于所述柔性衬底上的柔性电极，所述柔性电极位于所述柔性衬底之间，所述柔性衬底是由掺杂有湿敏材料的高分子聚合物纺丝液通过静电纺丝形成的湿敏聚合物薄膜。

优选地，所述导电纳米颗粒选自银纳米颗粒、铜纳米颗粒、铬纳米颗粒、镍纳米颗粒、铝纳米颗粒中的一种或两种以上组合。

优选地，所述掺杂有湿敏材料的高分子聚合物纺丝液中，所述高分子聚合物纺丝液为疏水性高分子聚合物和亲水性高分子聚合物的混合纺丝液，所述湿敏材料选自氯化锂、溴化锂、氧化锌中一种或两种以上组合，占所述高分子聚合物纺丝液总量的1–3wt％。

更优选地，所述疏水性高分子聚合物选自聚酰亚胺、聚苯乙烯、热塑性聚氨酯弹性体、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷中的一种或两种以上组合。

更优选地，所述亲水性高分子聚合物选自聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上组合。

本发明还提供了上述基于高分子聚合物的柔性湿度传感器的制备方法，包括下列步骤：

S1：将所述湿敏材料、亲水性高分子聚合物和疏水性高分子聚合物共同加入到溶剂中，磁力搅拌不低于8小时，得到掺杂有湿敏材料的高分子聚合物纺丝液后进行静电纺丝，得到纳米纤维膜，烘干至其溶剂充分挥发，得到湿敏聚合物薄膜作为柔性衬底；

S2：在步骤S1制备好的柔性衬底表面，将所述导电纳米颗粒通过磁控溅射得到叉指电极作为柔性电极；