一种透明柔性湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种透明柔性湿度传感器及其制备方法，包括：柔性衬底、柔性导电薄膜、共面波导谐振电路以及湿度敏感柔性薄膜。其中：柔性衬底具有高的光透过率以及可弯曲、拉伸等特点；所述的柔性导电薄膜具有低的方块电阻和高的光透过率的物理特性，所述的湿度敏感柔性薄膜均匀地旋涂于柔性导电薄膜表面，其特征在于：柔性衬底与柔性导电薄膜形成一个可弯曲、拉伸，低损耗以及具有高光透过率的谐振电路，湿度敏感柔性薄膜作为所述谐振电路谐振频率的一个调控单元。本发明专利技术所述透明柔性湿度传感器具有柔性可拉伸、高透明度、成本低廉、制备简单、高灵敏性的优势，可广泛应用于可穿戴电子器件、柔性电子以及作为“电子皮肤”等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种透明柔性湿度传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器应用领域，具体涉及一种透明柔性湿度传感器及其制备方法。
技术介绍
人类的生存和社会活动与环境的湿度密切相关。随着现代化的发展，不同领域对周围环境湿度提出了严格要求，这使得对环境湿度的检测变得更为重要。湿度传感器(HumiditySensor)作为一种能检测周围环境或人体表面湿度的电子器件，在工农业生产、气象、环保、航天等领域已经得到了广泛应用。近年来，随着电子技术的不断发展，小型化、集成化、柔性化电子成为当今电子信息技术的热点。新型领域已经对传统的湿度传感器提出新的要求。例如，“电子皮肤”不仅需要准确、快速地感应人体周围环境的湿度情况，而且“电子皮肤”也需要具有可弯曲、拉伸等良好的机械性能。此外，高的光透过率也是一个重要的物理性能。常规的湿度传感器通常是刚性的，已经不能满足当今可伸缩、可穿戴的电子产品市场。并且现有的柔性湿度传感器的电路结构基于晶体管结构或微系统，电路复杂，现有技术中，很多柔性基底采用硅片或CNT或石墨烯等材料，这些基底材料非常昂贵且存在器件结构在制备过程中工艺复杂，可重复性差等问题，难以实现大规模的工业生产。再者，湿度敏感性作为湿度传感器的重要性能指标，直接制约着湿度传感器的应用。在透明柔性湿度传感器，保证柔性的前提下，探索更高的湿度敏感性成为柔性湿度传感器的技术难题。因此，在湿度传感器获得广泛应用的同时，如何在保证性能的同时使得湿度传感器具有良好机械性能、高的光透过率、高的湿度敏感性以及制备简单快捷，用以满足实际需求成为了本领域技术人员想要解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的诸多问题，旨在克服现有技术的不足，提出了一种简单快捷的柔性湿度传感器。有效地解决了传统柔性传感器低的光透过率，基体材料柔性度差且制作过程成本高、工艺复杂、工艺难以控制、湿度敏感性差以及不利于快速大规模生产等问题。本专利技术提供一种透明柔性湿度传感器及其制备方法，其电极或导电层为具有低方块电阻，高透过率的ITO(AZO)或AgNW柔性导电薄膜，具有良好吸水性的PVA和PVP复合薄膜作为所述湿度传感器的湿度敏感柔性薄膜，所述薄膜吸收水分子后其介电常数以及损耗的变化使得谐振电路产生频率响应。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种透明柔性湿度传感器，包括：透明柔性衬底(1)，柔性导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)，以及湿度敏感柔性薄膜(4)；其中：所述透明柔性衬底由PDMS制成，透明柔性衬底(1)的顶面设有氧化铟锡(ITO)导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)通过激光刻蚀导电薄膜而成，ITO导电薄膜(2)表面有一层湿度敏感柔性薄膜(4)，该薄膜通过旋涂聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮和(PVP)混合溶液烘干制备而成；连接微波电路时，将同轴线的插座安装在接地板的背面，外导体直接接在接地板上，同轴线的内导体即同轴探针穿过接地板和透明柔性衬底(1)接在导电薄膜(2)上；所述柔性衬底与柔性导电薄膜形成一个可弯曲、拉伸，低损耗以及具有高光透过率的谐振电路，湿度敏感柔性薄膜作为所述谐振电路谐振频率的一个调控单元。所述的透明柔性衬底(1)与柔性导电薄膜(2)通过热压或者固化的方法组合在一起。所述的柔性导电薄膜(2)是一种具有可拉伸、弯曲，低方块电阻，高透光率的柔性导电薄膜，为氧化铟锡(ITO)或者铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃(AZO)或者纳米银线(AgNW)柔性导电薄膜。所述的湿度敏感柔性薄膜(4)是由聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液采用旋涂法制备，均匀地旋涂于柔性导电薄膜(2)表面，其薄膜厚度由所述的混合溶液浓度调控。所述的柔性导电薄膜(2)通过磁控溅射或喷涂(旋涂)的方法镀或者印在PET柔性薄板上，再通过激光刻蚀方法形成一个共面波导型的谐振电路；其中，所述的共面波导谐振电路(3)工作频率范围在2～4.5GHz，谐振频率可由所刻蚀凹槽尺寸、柔性导电薄膜厚度、PET板厚度以及柔性衬底厚度所决定，其可调范围在3.0GHz～3.5GHz，所述的柔性导电薄膜谐振器仅有一个共面波导谐振电路组成。所述的PVA和PVP的湿度敏感柔性薄膜(4)为一个方形结构，薄膜宽度与共面波导宽度相同。所述的湿度敏感柔性薄膜(4)为介电常数湿度敏感柔性薄膜，其介电常数会随环境湿度变化而发生明显变化，从而引起谐振电路谐振频率的偏移。所述的湿度敏感柔性薄膜(4)的介电常数以及损耗可通过添加不同比例聚乙烯吡咯烷酮实现调控。一种透明柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将氧化铟锡(ITO)导电薄膜(2)通过磁控溅射方法溅射在透明柔性的PET板上；步骤2：共面波导谐振电路(3)通过激光刻蚀至ITO导电薄膜上；步骤3：在ITO导电薄膜(2)表面旋涂一层湿度敏感柔性薄膜(4)，且该薄膜通过旋涂PVA和PVP混合溶液烘干制备而成；步骤4：连接微波电路，将同轴线的插座安装在接地板的背面，外导体直接接在接地板上，同轴线的内导体即同轴探针穿过接地板和透明柔性衬底(1)接在导电薄膜(2)上，从而制成透明柔性湿度传感器。所述湿度敏感柔性薄膜(4)制备包括：将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为10:1～10:4进行混合，再添加1.0wt.％丙三醇作为增塑剂进行脱泡处理，然后取混合所得胶液滴在柔性导电薄膜(2)上通过匀胶机形成厚度均匀的湿膜，经干燥成膜制得湿度敏感柔性薄膜(4)。本专利技术的有益效果是：本专利技术的柔性传感器创新地将传感器电路移植至柔性基底上，实现了传感器的可拉伸及可弯曲功能，并在可拉伸的前提下，提高了传感器的灵敏度及高透明度。本专利技术的柔性传感器采用透明柔性衬底，柔性导电薄膜分别作为基底和导电层，在一定弯曲或拉伸的条件下仍可以保持原有物理性能，达到环境湿度检测的目的；进一步地，本专利技术透明柔性湿度传感器的湿度敏感柔性薄膜是采用聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮形成的复合薄膜，具有介电性能优异、质量轻、体积小且易于集成的优势，解决了传感器集成至柔性基底的性能差的技术难题。并且所述薄膜的机械性能和介电性能通过PVA和PVP的混合比例进行调节，创新地制得具有良好机械性能和低损耗的薄膜，进而有效地控制湿度传感器的检测范围以及大大增加了其灵敏度。同时，丙三醇的引入可以很大程度提高薄膜的柔韧性。因此，本专利技术所述湿度传感器具有柔性可拉伸、高透明度、高灵敏度、快响应速度、电路结构简单及低廉成本的优势，可广泛应用于可穿戴电子器件、植入式远程医疗器件、柔性电子以及作为“电子皮肤”等领域。附图说明图1为本专利技术的透明柔性湿度传感器整体结构示意图；图2为根据本专利技术实施例3柔性共面波导谐振电路加工实物图；图3为根据本专利技术实施例3透明的柔性湿度传感器实物图；图4为根据本专利技术实施例3湿度敏感柔性薄膜红外光谱测试图；图5为根据本专利技术实施例3湿度敏感柔性薄膜介电性能随湿度的变化曲线；图6为根据本专利技术实施例3S11曲线在11.3％～97.3％RH范围内的测试结果；图7为根据本专利技术实施例3共面波导谐振电路S21,S11参数仿真示意图；图8为根据本专利技术实施例3和对比例在不同环境下、1.4GHz下的介电常数变化；图9为根据本专利技术实施例3和对比例在不同环境下、1.4GHz下的介电损耗变化。具体实施方式以下结合本专利技术具体实施例和说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透明柔性湿度传感器，包括：透明柔性衬底(1)，柔性导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)，以及湿度敏感柔性薄膜(4)；其中：所述透明柔性衬底由PDMS制成，透明柔性衬底(1)的顶面设有氧化铟锡(ITO)导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)通过激光刻蚀导电薄膜而成，ITO导电薄膜(2)表面有一层湿度敏感柔性薄膜(4)，该薄膜通过旋涂聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合溶液烘干制备而成；连接微波电路时，将同轴线的插座安装在接地板的背面，外导体直接接在接地板上，同轴线的内导体即同轴探针穿过接地板和透明柔性衬底(1)接在导电薄膜(2)上；所述柔性衬底与柔性导电薄膜形成一个可弯曲、拉伸，低损耗以及具有高光透过率的谐振电路，湿度敏感柔性薄膜作为所述谐振电路谐振频率的一个调控单元。

【技术特征摘要】
1.一种透明柔性湿度传感器，包括：透明柔性衬底(1)，柔性导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)，以及湿度敏感柔性薄膜(4)；其中：所述透明柔性衬底由PDMS制成，透明柔性衬底(1)的顶面设有氧化铟锡(ITO)导电薄膜(2)，共面波导谐振电路(3)通过激光刻蚀导电薄膜而成，ITO导电薄膜(2)表面有一层湿度敏感柔性薄膜(4)，该薄膜通过旋涂聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合溶液烘干制备而成；连接微波电路时，将同轴线的插座安装在接地板的背面，外导体直接接在接地板上，同轴线的内导体即同轴探针穿过接地板和透明柔性衬底(1)接在导电薄膜(2)上；所述柔性衬底与柔性导电薄膜形成一个可弯曲、拉伸，低损耗以及具有高光透过率的谐振电路，湿度敏感柔性薄膜作为所述谐振电路谐振频率的一个调控单元。2.根据权利要求1所述的一种透明柔性湿度传感器，其特征在于，所述的透明柔性衬底(1)与柔性导电薄膜(2)通过热压或者固化的方法组合在一起。3.根据权利要求1所述的一种透明柔性湿度传感器，其特征在于，所述的柔性导电薄膜(2)是一种具有可拉伸、弯曲，低方块电阻，高透光率的柔性导电薄膜，为氧化铟锡(ITO)或者铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃(AZO)或者纳米银线(AgNW)柔性导电薄膜。4.根据权利要求1所述的一种透明柔性湿度传感器，其特征在于，所述的湿度敏感柔性薄膜(4)的薄膜厚度由所述的聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合溶液浓度调控。5.根据权利要求1所述的一种透明柔性湿度传感器，其特征在于，所述的柔性导电薄膜(2)通过磁控溅射或喷涂(旋涂)的方法镀或者印在PET柔性薄板上，再通过激光刻蚀方法形成一个共面波导型的谐振电路；其中，所述的共面波导谐振电路(3)工作频率范围在2～4.5GHz，谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨燕，赵健雄，陈霞，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51