一种自供能无线湿度传感器

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种自供能无线湿度传感器，属于传感器。

背景技术：

1、物联网技术，即通过互联网实现设备的无线连接、通信和控制，已广泛应用于环境监测、智能家居、智能交通、医疗保健和智慧城市等领域。传感器作为物联网的“神经末梢”，一直备受研究者的关注。传统的有线传感器面临着应用场景限制、运动系统限制、信号串扰复杂、成本维护高、布线工作量大等诸多障碍，极大地限制了传感器的进一步发展和广泛应用。因此，如今的传感器趋向于多功能、无线和自供电，其中，由于分布式传感器节点数量众多，无线信号传输变得尤为重要，成为一个热点问题。

2、为了解决无线传感的难题，传感器通常与无线传输模块相结合来传输信号，如蓝牙、wi-fi、超宽带(uwb)、天线、近场通信(nfc)、分环谐振器(srr)、lc谐振等。其中，蓝牙、wi-fi、uwb和天线具有良好的通信距离和传输速率，但由于工作频段相似，容易受到同频干扰。nfc、srr和lc谐振很难实现米级无线传感。此外，上述无线传感器大多需要电源进行供电，无法实现自供能传感。因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，研制出一种抗干扰能力强、传输距离远的自供能无线传感器具有重要的理论和现实意义。

技术实现思路

1、本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种自供能无线湿度传感器，该技术方案以解决目前无线湿度传感器面临的易受同频干扰、传输距离近以及供电等问题。通过对自供能无线湿度传感器的弹性支撑结构循环施加和撤去压力来产生高电势差，高电势差则可以击穿尖端结构附近的空气产生放电，进而发射出电磁波信号。该信号可以被天线接收用于无线传感。串联的叉指电容式湿度传感结构通过电容反映湿度变化，进一步影响电磁波信号的频率特性，从而实现自供能无线湿度传感。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种自供能无线湿度传感器，所述自供能无线湿度传感器包括上层结构、下层结构、叉指电容式湿度传感结构以及弹性支撑结构，所述上层结构和下层结构均固定在弹性支撑结构上，且相对设置但不直接接触，所述叉指电容式湿度传感结构串联在上层结构中。

3、作为本发明的一种改进，所述上层结构包括上层亚克力板，上层铜箔，聚全氟乙丙烯薄膜和尖端结构，其中上层铜箔设置在上层亚克力板的下表面，聚全氟乙丙烯薄膜设置在上层铜箔的下表面，上层铜箔与尖端结构相连接，并呈现一定夹角。

4、作为本发明的一种改进，所述下层结构包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，下层铜箔和下层亚克力板，其中所述下层铜箔设置在下层亚克力板的上表面，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜设置在下层铜箔的上表面。

5、作为本发明的一种改进，所述叉指电容式湿度传感结构包括氧化石墨烯膜，叉指电极一以及叉指电极二，所述叉指电极一和叉指电极二的叉指相互交叉排列，所述氧化石墨烯膜贴附在叉指电极一和叉指电极二的上表面；

6、作为本发明的一种改进，所述弹性支撑结构包括支撑板一，支撑板二，侧弹性支撑板一以及侧弹性支撑板二；其中，叉指电容式湿度传感结构分别与上层铜箔和尖端结构相互连接，上层铜箔、叉指电容式湿度传感结构和尖端结构由同一块铜箔经过弯折与切割制成；所述上层结构设置在弹性支撑结构的支撑板一的下表面，下层结构设置在弹性支撑结构的支撑板二的上表面；上层结构的聚全氟乙丙烯薄膜与下层结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜相对设置构成摩擦电对；上层铜箔与下层铜箔构成导电电极。

7、作为本发明的一种改进，所述自供能无线湿度传感器通过对弹性支撑结构循环施加和撤去压力实现自供能。

8、作为本发明的一种改进，所述自供能无线湿度传感器产生的电磁波信号可以由天线或者线圈连接示波器组成的接收端接收。

9、作为本发明的一种改进，所述传感器的使用方法包括以下步骤：

10、步骤s1、通过对弹性支撑结构施加压力，使该自供能无线湿度传感器压缩，且上层结构的聚全氟乙丙烯薄膜与下层结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜完全接触，此时，上层结构的尖端结构与下层结构的下层铜箔相互接触，由于聚全氟乙丙烯薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜之间的电荷亲和性差异较大,因此产生大量的瞬态电荷转移。

11、步骤s2、撤去压力，使该自供能无线湿度传感器的上层结构和下层结构分离，在分离过程中由于聚全氟乙丙烯薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜之间大量的电荷转移而产生高电势差，高电势差会击穿尖端结构周围空气放电产生电磁波信号，该电磁波信号可以被天线或者线圈连接示波器组成的接收端接收。

12、步骤s3、使该自供能无线湿度传感器在不同的湿度环境下工作，湿度的变化会改变叉指电容式湿度传感结构的电容，进一步影响电磁波信号的频率特性。通过接收电磁波信号并分析信号的频率特性实现环境湿度的无线测量。

13、相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案提供的自供能无线湿度传感器以击穿放电理论为基础，通过对弹性支撑结构循环施加和撤去压力使摩擦电对相互接触和分离，产生大量电荷转移并形成高的电势差，高电势差则可击穿尖端结构附近空气放电，从而发射电磁波信号。通过将叉指电容式湿度传感结构串联到该自供能无线湿度传感器中，接收并分析电磁波信号的频率特性实现无线湿度传感。该自供能无线湿度传感器不需要使用电池作为电源，具有自供能和环境友好的特点，采用击穿放电的电磁波信号发射方式具有传输距离远的优势。

技术特征：

1.一种自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述自供能无线湿度传感器包括上层结构(1)、下层结构(2)、叉指电容式湿度传感结构(3)以及弹性支撑结构(4)，所述上层结构(1)和下层结构(2)均固定在弹性支撑结构(4)上，且相对设置但不直接接触，所述叉指电容式湿度传感结构(3)串联在上层结构(1)中。

2.根据权利要求1所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述上层结构(1)包括上层亚克力板(1a)，上层铜箔(1b)，聚全氟乙丙烯薄膜(1c)和尖端结构(1d)，其中上层铜箔(1b)设置在上层亚克力板(1a)的下表面，聚全氟乙丙烯薄膜(1c)设置在上层铜箔(1b)的下表面，上层铜箔(1b)与尖端结构(1d)相连接，并呈现一定夹角。

3.根据权利要求2所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述下层结构(2)包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(2a)，下层铜箔(2b)和下层亚克力板(2c)，其中所述下层铜箔(2b)设置在下层亚克力板(2c)的上表面，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(2a)设置在下层铜箔(2b)的上表面。

4.根据权利要求3所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述叉指电容式湿度传感结构(3)包括氧化石墨烯膜(3a)，叉指电极一(3b)以及叉指电极二(3c)，所述叉指电极一(3b)和叉指电极二(3c)的叉指相互交叉排列，所述氧化石墨烯膜(3a)贴附在叉指电极一(3b)和叉指电极二(3c)的上表面。

5.根据权利要求4所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述弹性支撑结构(4)包括支撑板一(4a)，支撑板二(4b)，侧弹性支撑板一(4c)以及侧弹性支撑板二(4d)；其中，叉指电容式湿度传感结构(3)分别与上层铜箔(1b)和尖端结构(1d)相互连接；所述上层结构(1)设置在弹性支撑结构(4)的支撑板一(4a)的下表面，下层结构(2)设置在弹性支撑结构(4)的支撑板二(4b)的上表面；上层结构(1)的聚全氟乙丙烯薄膜(1c)与下层结构(2)的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(2a)相对设置构成摩擦电对；上层铜箔(1b)与下层铜箔(2b)构成导电电极。

6.根据权利要求4所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述自供能无线湿度传感器通过对弹性支撑结构(4)循环施加和撤去压力实现自供能。

7.根据权利要求4所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述自供能无线湿度传感器产生的电磁波信号由天线或者线圈连接示波器组成的接收端接收。

8.根据权利要求1所述的自供能无线湿度传感器，其特征在于，所述传感器的使用方法包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种自供能无线湿度传感器，所述自供能无线湿度传感器包括上层结构、下层结构、叉指电容式湿度传感结构和弹性支撑结构；通过对弹性支撑结构循环施加和撤去压力,使上层结构的聚全氟乙丙烯薄膜和下层结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜接触分离产生高的电势差，进而击穿尖端结构周围空气放电产生电磁波信号。串联的电容式湿度传感器通过电容变化反映湿度变化，这会影响电磁波信号的频率特性，从而实现自供能无线湿度传感。该自供能无线湿度传感器具有结构简单、传输距离远、抗干扰能力强、环境友好等优势。

技术研发人员：韩磊,司佳威,杨宇睿,胡宁欣,陈一祺,吴宇轩
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16