湿度传感器及其制备方法、可穿戴湿度传感系统和应用与流程

本发明属于柔性电子器件的制备技术领域，尤其涉及一种湿度传感器及其制备方法、可穿戴湿度传感系统和应用。

背景技术：

可穿戴电子技术因其在物联网(iot)中的重要应用而受到广泛关注，例如人机交互和远程医疗监控等。对于可穿戴电子系统，智能传感器起着关键作用，因为它们可以有效地将来自人体的各种信号“转换”为机器可以识别的信息。因此，开发具有高灵敏度和快速响应的各种智能传感器尤为重要。传统传感器通常检测直接接触中的信号，例如压力传感器，应变传感器等。然而，直接接触传感不仅会带来不可避免的机械磨损，还会限制其在更广范围例如在有毒或有害环境中应用。为了克服这些缺点以满足多样的应用需求，柔性非接触湿度传感器成为现有传感器的一个重要补充。

众多科学研究者已经开始了对基于不同湿敏材料的湿度传感器的研究并取得了一定的进展，但是在材料稳定性和传感性能方面都还有一些局限性，例如材料易受环境影响，复杂的制备工艺，较高的使用条件等；另外目前它们在可穿戴电子中应用的研究还很少。因此，进一步研究低成本、高性能、长期稳定的湿度传感器及其它们在健康相关的湿度监测和可穿戴电子中的实际应用显得尤为迫切。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种湿度传感器及其制备方法、可穿戴湿度传感系统和应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种湿度传感器，包括：

衬底；

电极，其设置在衬底上；以及

湿敏材料，其在电极上形成纳米探测阵列。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种湿度传感器的制备方法，包括：

在衬底上制备电极；

在制备好电极的衬底上制备湿敏材料，即得到所述湿度传感器。

作为本发明的又一个方面，还提供了一种可穿戴湿度传感系统，包括：

如上所述的湿度传感器或如上所述制备方法得到的湿度传感器，用于检测相对湿度的变化；

信号处理装置，与所述湿度传感器两端的电极连接，用于检测传感器输出的电流信号，并将最终信号实时发送到无线接收终端得到湿度信息；以及

无线终端，用于接收和显示经过处理后的湿度信息。

作为本发明的再一个方面，还提供了一种如上所述的可穿戴湿度传感系统在环境湿度的实时监控以及非侵入式人体呼吸监测中的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的湿度传感器及其制备方法、可穿戴湿度传感系统和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明所采用的制备moo3纳米片的方法具有产率高、操作简单、成本极低的优点；

(2)本发明所述的湿度传感器的灵敏度和响应速度均优于多数文献报道以及目前先进的商用湿度传感器，且moo3性质稳定，在空气中暴露1个月以上，器件的湿度响应性质无明显变化；

(3)目前商用湿度传感器多为刚性，极少用于可穿戴电子中，本发明所述的柔性可穿戴湿度传感系统拓宽了湿度传感器的应用潜力和应用范围；

(4)本发明所述的高性能的湿度传感器与检测电路形成的可穿戴系统，可以实现对于环境湿度的实时监控以及非侵入式人体呼吸监测，与传统湿度和呼吸监测方法相比，本发明的系统更简单，成本更低，并且更适合日常和家庭监控。

附图说明

图1为本发明实施例中的湿度传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的湿度传感器在不同相对湿度环境下的响应图；

图3为本发明实施例中的湿度传感器在不同呼吸状态下响应情况图；

图4为本发明实施例中柔性可穿戴湿度传感系统的环境湿度实时监测图；

图5为本发明实施例中通过柔性可穿戴湿度传感系统实现实时呼吸监测示意图。

附图标记说明：

1-衬底；2-电极；3-湿敏材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

为了克服现有技术和器件的一些缺点，本发明提出了一种可穿戴传感系统，以实现高性能的湿度传感器在健康相关的湿度变化监测和可穿戴电子中的应用。

本发明公开了一种湿度传感器，包括：

衬底；

电极，其设置在衬底上；以及

湿敏材料，其在电极上形成纳米探测阵列。

在本发明的一些实施例中，所述电极为双端电极结构，所述电极两端呈齿状交替排列；

在本发明的一些实施例中，所述衬底为柔性衬底。

在本发明的一些实施例中，所述湿度传感器的响应时间小于0.3秒、回复时间小于0.5秒；

在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的任一种；

在本发明的一些实施例中，所述电极采用的材料包括金、银、铜、氧化铟锡中的任一种；

在本发明的一些实施例中，所述电极的厚度为50至60纳米；

在本发明的一些实施例中，所述湿敏材料包括三氧化钼纳米片。

本发明还公开了一种湿度传感器的制备方法，包括：

在衬底上制备电极；

在制备好电极的衬底上制备湿敏材料，即得到所述湿度传感器。

在本发明的一些实施例中，所述湿敏材料包括三氧化钼纳米片。

在本发明的一些实施例中，所述三氧化钼纳米片的制备方法包括：

将四水合七钼酸氨溶于去离子水中，之后加入硝酸溶液进行水热反应，水热反应结束后得到的白色粉末即为所述三氧化钼纳米片。

在本发明的一些实施例中，所述四水合七钼酸氨的浓度为0.7至1.1g/ml，例如为0.7g/ml、0.8g/ml、0.9g/ml、1.0g/ml、1.1g/ml；

在本发明的一些实施例中，所述硝酸溶液浓度为4.0至5.0mol/l；

在本发明的一些实施例中，所述水热反应的反应温度为60至70℃；

在本发明的一些实施例中，所述水热反应的反应时间为180至210分钟。

本发明还公开了一种可穿戴湿度传感系统，包括：

如上所述的湿度传感器或如上所述制备方法得到的湿度传感器，用于检测相对湿度的变化；

信号处理装置，与所述湿度传感器两端的电极连接，用于检测传感器输出的电流信号，并将最终信号实时发送到无线接收终端得到湿度信息；以及

无线终端，用于接收和显示经过处理后的湿度信息。

在本发明的一些实施例中，所述可穿戴湿度传感系统包括微处理器单元、信号转换电路、蓝牙模块、电池。

本发明还公开了如上所述的可穿戴湿度传感系统在环境湿度的实时监控以及非侵入式人体呼吸监测中的应用。

在一个示例性实施例中，本发明的柔性可穿戴湿度传感系统包括：

一由湿敏材料、电极、柔性衬底组成的高性能湿度传感器，其中所述电极在柔性衬底上形成双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，湿敏材料在电极上形成纳米探测阵列；

一信号处理电路(即信号处理装置)，与所述湿度传感器两端电极用导线相连，用于检测传感器输出的电流信号，并将最终信号实时发送到无线接收终端得到湿度信息；

所述湿敏材料基于水浴法制备，可实现材料的低成本、简易制备，所述湿度传感器基于半导体微加工技术制备，可以实现器件的小型化、批量化制作；所述柔性湿度传感器对环境湿度具有超高灵敏度，形成的可穿戴湿度传感系统可实现对环境湿度的实时监控及非侵入式人体呼吸监测。

在另一个示例性实施例中，本发明的柔性可穿戴湿度传感系统，所述湿度传感系统有湿度传感器、信号处理电路和无线终端组成；高性能湿度传感器由三氧化钼纳米片湿敏材料、金属电极、柔性衬底构成；信号处理电路，与所述湿度传感器两端电极用导线相连，用于检测传感器输出的电流信号，并将最终信号实时发送到无线接收终端得到湿度信息。

其中，所述湿度传感器的柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚酰亚胺(pi)中的一种；

其中，所述电极为金、银、铜、ito(氧化铟锡)等金属，电极在柔性衬底上形成双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，湿敏材料在电极上形成纳米探测阵列。

其中，所述的信号处理电路由微处理器单元、信号转换电路、蓝牙模块、电池组成，湿度传感器与电路板串联组成湿度传感系统，处理后的信号被传输到通过蓝牙模块的移动应用程序，环境相对湿度和时变的实时值动态曲线因此以可视方式显示在移动软件界面中。

所述湿度传感器件制备方法，包括：

(1)湿敏材料的制备：moo3纳米片是通过水浴法合成的，首先将四水合七钼酸氨充分溶于去离子水中，之后将适量的一定浓度的硝酸溶液逐滴加入上述溶液中，然后将混合溶液在超声机中进行水浴，待反应结束后收集生成的白色粉末，清洗、烘干；

(2)湿度传感器的制备：在柔性衬底上通过光刻、镀膜形成电极图案，所述电极为双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，然后将步骤(1)中得到的moo3纳米片均匀分散于某种易挥发溶剂中，如乙醇中，之后将溶液旋涂在电极上，最后将器件烘干；

其中，步骤(1)反应前驱物四水合七钼酸氨的浓度为0.7至1.1g/ml，制备moo3的水热法所用的硝酸溶液浓度为4.0-5.0mol/l，制备moo3的水浴法过程中滴加的硝酸溶液的体积为0.4-0.6ml，制备moo3的水热法所用的加热温度为60-70℃，超声时间为180-210分钟。

其中，步骤(2)中金属电极的厚度为50-60nm，moo3溶液的浓度为0.03-0.05g/ml，烘干温度为60℃，时间为1-2分钟。

一种可穿戴湿度传感系统，包括由如上所述湿度传感器形成的可穿戴系统。所述可穿戴系统包括湿度传感器与外部信号处理电路，电路板集成有蓝牙模块，可将传感器的电流信号无线发送到移动终端中；

所述的可穿戴湿度传感系统在环境湿度的实时监控以及非侵入式人体呼吸监测中的应用。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。

本发明的柔性湿度传感系统包括湿度传感器和信号处理电路；其中湿度传感器包括：moo3纳米片作为湿敏材料3，聚酰亚胺、pet或pen等作为衬底1和导电金属作为双端电极2。所制备的湿度传感器对外部相对湿度(rh)表现出出色的灵敏度，rh从0％变为100％时电流变化了5个数量级。此外传感器具有快速响应(＜0.3s)和恢复时间(＜0.5s)，还表现出长期稳定性(＞1个月)，并且具有很好的机械灵活性。

信号处理电路由微处理器单元、信号转换电路、蓝牙模块、电池组成，湿度传感器与电路板串联组成湿度传感系统。周围环境相对湿度(rh)的变化会导致传感器的电流变化。随后，信号处理电路通过i/v转换将电流值转换为电压信号，然后将信号传递到微处理器，该微处理器负责实时数据收集和处理；rh值是通过rh和电流之间的关系来计算的(如图2所示)，最后，处理后的信号被传输到通过蓝牙模块的移动应用程序(app)。环境相对湿度和时变的实时值动态曲线因此以可视方式显示在移动软件界面中，从而为个性化湿度监控奠定基础。

本发明将湿度传感系统集成在穿戴设备中，实现了湿度传感器在健康相关的湿度变化监测和可穿戴电子中的应用。

实施例1

(1)将0.9g四水合七钼酸氨溶于11ml的去离子水中，并磁力搅拌至完全溶解；

(2)将0.5ml浓度为4.5mol/l的硝酸溶液用移液枪逐滴滴加入上述水溶液中，充分搅拌；

(3)将盛有上述混合溶液的烧杯用保鲜膜封口，放入超声机中，保持加热温度为65℃，超声加热时间为180分钟；

(4)将上述溶液离心、干燥收集生成的白色粉末，将获得的moo3纳米片在室温下超声分散在乙醇中，分散液浓度0.03gml^-1；

(5)在柔性pet衬底上通过光刻、镀膜形成电极图案，所述电极为双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，将moo3分散液以500转每分钟的转速旋涂于上述刻有电极的pet衬底上。将上述器件放在热板上至moo3完全干燥，柔性湿度传感器即制备完成，柔性pet衬底上传感器的结构如图1所示。

(6)将器件放置在不同相对湿度环境下测试，得到器件在不同相对湿度(rh)环境下的响应情况如图2所示，结果表明随着相对湿度的增大，器件电流显著增大，在对数坐标下，器件的电流响应在不同的相对湿度下几乎呈线性变化。当相对湿度从0％增加到100％时，传感器的电流变化超过10⁵倍，说明本发明的湿度传感器在高湿度和低湿度环境下都有很好的灵敏度；湿度传感器在不同呼吸状态下的响应情况如图3所示，说明本发明的湿度传感器可以快速准确的检测呼吸的速度和深度。

实施例2

(1)将0.8g四水合七钼酸氨溶于9ml的去离子水中，并磁力搅拌至完全溶解；

(2)将0.5ml浓度为5mol/l的硝酸溶液用移液枪逐滴滴加入上述水溶液中，充分搅拌；

(3)将盛有上述混合溶液的烧杯用保鲜膜封口，放入超声机中，保持加热温度为70℃，超声加热时间为200分钟；

(4)将上述溶液离心、干燥收集生成的白色粉末，将获得的moo3纳米片在室温下超声分散在乙醇中，分散液浓度0.03gml^-1；

(5)在柔性pen衬底上通过光刻、镀膜形成电极图案，所述电极为双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，将moo3分散液以500转每分钟的转速旋涂于上述刻有电极的pen衬底上。将上述器件放在热板上至moo3完全干燥，柔性湿度传感器即制备完成，柔性pen衬底上传感器的结构如图1所示。

(6)将上述柔性传感器的电极与外部信号处理电路连接，并将外部信号处理电路通过无线系统与智能终端连接形成柔性湿度集成系统。该集成系统可以快速监测周围的相对湿度并且根据设计的阈值相对湿度发送提醒。当相对湿度低于30％时，表明湿度处于较低状态，如果大于75％，则表明湿度较高状态，在30-75％范围内则表示处于舒适状态。湿度监测示例如图4所示，三种颜色表示湿度处于三种不同的状态。

实施例3

(1)将0.86g四水合七钼酸氨溶于10ml的去离子水中，并磁力搅拌至完全溶解；

(2)将0.5ml浓度为4mol/l的硝酸溶液用移液枪逐滴滴加入上述水溶液中，充分搅拌；

(3)将盛有上述混合溶液的烧杯用保鲜膜封口，放入超声机中，保持加热温度为60℃，超声加热时间为210分钟；

(4)将上述溶液离心、干燥收集生成的白色粉末，将获得的moo3纳米片在室温下超声分散在乙醇中，分散液浓度0.03gml^-1；

(5)在柔性pet衬底上通过光刻、镀膜形成电极图案，所述电极为双端电极结构，电极两端呈齿状交替排列，将moo3分散液以500转每分钟的转速旋涂于上述刻有电极的pet衬底上。将上述器件放在热板上至moo3完全干燥，柔性湿度传感器即制备完成，柔性pet衬底上传感器的结构如图1所示。

(6)将上述柔性传感器的电极与外部信号处理电路连接，并将外部信号处理电路通过无线系统与智能终端连接形成柔性湿度集成系统。该柔性湿度集成系统可应用在可穿戴呼吸监测。穿戴式呼吸监测系统如图5所示，从移动app的动态曲线可以看到，本发明提供的可穿戴湿度传感系统可以提供快速和准确的呼吸速度和深度监测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。