一种高发电功率的电化学型湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高发电功率的电化学型湿度传感器及其制备方法，属于湿敏元件及湿度传感器技术领域。本发明专利技术所述电化学型湿度传感器包括衬底，衬底表面有一对电极和湿度敏感层，所述电极的正极是二氧化锰，负极是铝，所述湿度敏感层的材料由金属盐和碳纳米管组成。二氧化锰

【技术实现步骤摘要】
一种高发电功率的电化学型湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于湿敏元件及湿度传感器
，具体涉及一种高发电功率的电化学型湿度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着物联网和信息技术的不断发展，湿度的测量与人们日常生活的关系越来越密切，在工业生产、农业种植、气候监测乃至健康管理上都有着重要的作用，如湿度传感器可以用于监测人体的呼吸频次、评估皮肤湿度等。现有的湿度传感器以电容式和电阻式为主，而无法脱离外部电源的驱动，导致检测装置通常较大；同时，在分布式湿度检测时，多个传感器的供电及其维护是一个挑战。发电型湿度传感器不仅能够实现以超低功耗对湿度检测，而且由湿度驱动产生的电能有望为整个检测系统供电，从而解决上述难题。因而，发展发电型湿度传感器具有重要的意义。
[0003]目前，发电型湿度传感器根据工作原理可分为：摩擦电/压电纳米发电机型、离子扩散型和电化学型湿度传感器。公开为CN 109655492 A的中国专利申请公开了一种基于摩擦纳米发电机的湿度传感器及其方法，该器件属于发电型湿度传感器，在不同湿度刺激下能够产生不同的响应电压，通过与发光二极管连接并利用二极管的发光强度反应湿度的高低，但是其在工作的过程中需要自发的外部机械能驱动摩擦纳米发电机，这极大地限制了它的应用场景。公开号为CN 114350545 A的中国专利申请公开了一种基于离子扩散的柔性湿气发电装置及其应用，属于发电型湿度传感器，该装置由微生物薄膜、底部电极和顶部多孔电极构成，其中生物薄膜由电活性菌(如大肠杆菌)经干燥处理得到，作为吸湿材料；该装置虽然能够自发地产生电压，但在高湿条件下(80％ RH)的开路电压和短路电流仅有0.28V和3.4μA，难以实现高的发电功率，且该装置具有较差的湿敏性能。公开号为CN 111879838 A的中国专利申请公开了一种柔性纸基电压型湿度传感器及其制备方法，将铜铝电极分别贴在用电解质溶液浸泡过的纸张的两侧即可完成传感器的制备，属于电化学型湿度传感器，该器件具有宽的湿敏响应范围(0％
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91.5％ RH)，较大的响应电压(～640mV)。
[0004]近几年来，电化学型湿度传感器因为其自身耦合了湿敏和发电特性受到了研究人员的广泛关注，现有技术“Self
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Powered Graphene Oxide Humidity Sensor Based on Potentiometric Humidity Transduction Mechanism”公开了一种还原氧化石墨烯(rGO)正极、氧化石墨烯(GO)湿敏电解质和多孔泡沫镍负极构成的具有“三明治”结构的电化学型湿度传感器，实现了较宽的湿度检测范围(20
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90％ RH)和较高的输出电压(0.77V)；现有技术“Facile primary battery
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based humidity sensor for multifunctional application”公开了一种铜箔正极、氯化锂湿敏电解质和铝箔负极构成的平板电化学型湿度传感器，实现了宽湿度检测范围(10.9
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91.5％RH)。但是，上述现有技术公开的电化学型湿度传感器存在低湿响应小(<25mV)、输出功率低(<1μW)的问题，限制自供能湿度检测的实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术发电型湿度传感器低湿响应小、发电功率低的技术问题，提供一种高发电功率的电化学型湿度传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术所提出的技术问题是这样解决的：
[0007]一种高发电功率的电化学型湿度传感器，包括衬底1、湿度敏感层2、正电极3、负电极4和测试导线5；正电极3和负电极4设置于衬底1上表面的两侧，中间留有沟道；湿度敏感层2位于衬底1上表面正电极3和负电极4的沟道处，两端分别与正电极3和负电极4连接；正电极3和负电极4上分别引出测试导线5；正电极3材料包括二氧化锰，负电极4的材料为铝，湿度敏感层2的材料由金属盐和碳纳米管组成；
[0008]更具体的，金属盐为氯化钠、氯化锂或氯化钾；碳纳米管为羟基化碳纳米管或羧基化碳纳米管；金属盐和碳纳米管的质量比为1～15:1。
[0009]更具体的，正电极3的材料由二氧化锰、碳黑和海藻酸钠组成；二氧化锰、碳黑和海藻酸钠的质量比为2～8:1:1；其中，碳黑用于提升电极的导电性，海藻酸钠作为粘合剂。
[0010]更具体的，正电极3和负电极4之间的间距为0.1mm
‑
2mm。
[0011]一种高发电功率的电化学型湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1、将正电极3的材料沉积在衬底1的一侧，并干燥；
[0013]步骤2、在沉积有正电极衬底表面的另一侧制备负电极4；
[0014]步骤3、将金属盐与碳纳米管混合材料沉积在正电极3和负电极4之间，并干燥，作为湿度敏感层2；
[0015]步骤4、从正电极3和负电极4分别引出测试导线5，完成电化学型湿度传感器制备。
[0016]进一步的，步骤1和步骤3中正电极3和湿度敏感层2的制备方法为刷涂法、喷涂法、浸渍法或丝网印刷。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]本专利技术所述高发电功率的电化学型湿度传感器中，二氧化锰
‑
铝电极具有高的电压窗口，可以提高电化学型湿度传感器的响应电压；
[0019]本专利技术所述高发电功率的电化学型湿度传感器中，碳纳米管具有的大比表面积、良好的亲水性和导电特性，促进湿度敏感层对水分子的吸附、降低传感器内阻；
[0020]本专利技术所述高发电功率的电化学型湿度传感器中，在电极和复合湿度敏感层的共同作用下提高电化学型湿度传感器的输出功率；
[0021]本专利技术所述高发电功率的电化学型湿度传感器中，得益于传感器输出功率的提升，该电化学型湿度传感器能够直接驱动微安电流表，构造了一个简易的无源可视化湿度探测装置。
附图说明
[0022]图1为本专利技术所述高发电功率的电化学型湿度传感器的剖面结构示意图；
[0023]图2为实施例所述电化学型湿度传感器动态响应/恢复曲线图；
[0024]图3为实施例所述电化学型湿度传感器在不同湿度下的响应拟合曲线；
[0025]图4为实施例所述电化学型湿度传感器在0％ RH和91.5％ RH切换的20个循环响应图；
[0026]图5为实施例所述电化学型湿度传感器在不同湿度下的输出功率与负载电阻的曲线图；
[0027]图6为实施例所述电化学型湿度传感器直接驱动微安电流计的实物图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步的说明。
[0029]本实施例提供一种高发电功率的电化学型湿度传感器，其剖面结构示意图如图1所示，包括衬底1、湿度敏感层2、正电极3、负电极4和测试导线5；正电极3和负电极4设置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高发电功率的电化学型湿度传感器，其特征在于，包括衬底(1)、湿度敏感层(2)、正电极(3)、负电极(4)和测试导线(5)；正电极(3)和负电极(4)设置于衬底(1)上表面的两侧，中间留有沟道；湿度敏感层(2)位于衬底(1)上表面正电极(3)和负电极(4)的沟道处，两端分别与正电极(3)和负电极(4)连接；正电极(3)和负电极(4)上分别引出测试导线(5)；正电极(3)材料包括二氧化锰，负电极(4)的材料为铝，湿度敏感层(2)的材料由金属盐和碳纳米管组成。2.根据权利要求1所述的高发电功率的电化学型湿度传感器，其特征在于，金属盐为氯化钠、氯化锂或氯化钾；碳纳米管为羟基化碳纳米管或羧基化碳纳米管；金属盐和碳纳米管的质量比为1～15:1。3.根据权利要求1所述的高发电功率的电化学型湿度传感器，其特征在于，正电极(3)的材料由二氧化锰、碳黑和海藻酸钠组成；二氧化锰、碳黑和海藻酸钠的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，张明祥，段再华，赵秋妮，袁震，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：