一种基于蚕丝蛋白的柔性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基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器及其制备方法，所述柔性湿度传感器包括柔性基底、叉指电极和湿敏材料，所述叉指电极位于柔性基底和湿敏材料之间，所述湿敏材料为蚕丝蛋白薄膜。本发明专利技术所述蚕丝蛋白薄膜对水分子的选择性吸附的独特特性，它能够检测液态水分子的存在性，甚至可以在特定场合区分液态水分子和气态水分子。因此，本发明专利技术所述的柔性湿度传感器能够用于检测环境中是否含有液态水分子，更进一步地讲，在一些特定的场合可以区分是液态水分子和气态水分子的存在。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器领域，具体涉及一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器及其制备方法。
技术介绍
湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器，一般情况下的湿度传感器分为电容式、电阻式、压阻式、光学式等多种类型，更为常见的是电容式的和电阻式的湿度传感器。湿度传感器在众多领域都有着重要的应用，比如气象、军事、农业、工业控制、精密测量器械、医疗器械等。但是传统的湿度传感器多是硅基材料，具有刚性大、易破碎的特点，不能根据应用场景进行弯曲变形，这就使得传统的湿度传感器的应用范围受到限制。近几十年来，随着柔性电子技术的飞速发展，越来越多的柔性传感器被设计出。而由于湿度检测在健康、环境监测等诸多领域的重要性，柔性的湿度传感器也受到越来越多的关注。近些年，基于电阻和电容原理，利用聚合物材料构成的柔性湿度传感器已有报道。国际著名期刊Sensors&ActuatorsBChemical上发表的论文《Designandoptimizationofanultrathinflexiblecapacitivehumiditysensor》公开了一种基于电容的柔性湿度传感器，该期刊发表的论文《Novelflexibleresistive-typehumiditysensor》公开了一种基于电阻的柔性湿度传感器。申请号为201810182699.6的中国专利技术专利申请公开了一种柔性湿度传感器及其制备方法。然而，水分子存在于空气中的气态和液态两种状态，由于都是吸附水分子改变其电容或者电阻，目前所报道公开的湿度传感器对气态水分子和液态水分子都会有响应。因此，传统的湿度传感器难以区分水在空气中的存在形式。比如对于人呼出的气体，传统的湿度传感器会有明显的响应，但是不能推测里面是否含有液态水。又比如雾天，空气中含有大量的液态水，传统的湿度传感器也不能检测空气中液态水的浓度。这种结果是由于湿敏材料的特性决定的，上述三种公开的湿度传感器分别采用双苯并环丁烯、甲基丙烯酸甲酯和3-(甲基丙烯酰胺基)丙基三甲基氯化铵聚合物、聚乙烯醇薄膜三种材料作为湿敏材料，它们都是基于化学反应的湿度传感器，并且三种材料都即与气态水分子反应，也与液态水反应。因此，上述三种公开的柔性湿度传感器均没法辨别空气中的水分子存在形式，确切地说是没法检测空气中是否存在液态水，这将限制它们的应用场景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，解决现有柔性湿度传感器无法识别空气中的水分子存在形式的问题。此外，本专利技术还提供上述柔性湿度传感器的制备方法。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，包括柔性基底、叉指电极和湿敏材料，所述叉指电极位于柔性基底和湿敏材料之间，所述湿敏材料为蚕丝蛋白薄膜。目前的湿度传感器主要包含电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器。本专利技术所述的柔性湿度传感器便是基于电容式的。电容式湿度传感器一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。但是目前想要精确的检测环境湿度仍是一个科学难题，而这些材料制成的湿度传感器都不能分辨空气中的气态水分子和液态水分子，空气中的液态水分子和气态水分子均能使现有的湿度传感器产生响应。本专利技术所述蚕丝蛋白薄膜即为蚕丝蛋白，所述蚕丝蛋白对水分子的选择性吸附的独特特性，使得它能够检测液态水分子的存在性，甚至可以在特定场合区分液态水分子和气态水分子。所述蚕丝蛋白为生物可兼容的天然高分子材料，蚕丝蛋白薄膜是将蚕丝蛋白通过旋涂方式制备。本专利技术所述叉指电极是常用的一种电极图案，采用叉指电极作为电极的图案，它可以延长电极的长度，让湿度传感器更加灵敏。本专利技术的工作原理：当湿度传感器暴露在湿度很高的空气中时，蚕丝蛋白薄膜(湿敏材料)会吸收空气中的水分子，湿敏材料的介电常数增加，从而导致叉指电极间电容增加；相反地，当湿度传感器暴露在湿度很小的空气中时，蚕丝蛋白薄膜会解吸蚕丝蛋白材料中的水分子，湿敏材料的介电常数减小，从而导致叉指电极间电容减小。更为重要的是蚕丝蛋白薄膜对水分子的吸附具有选择性，空气中的气态水分子并不能被蚕丝蛋白所吸收，而空气中的液态水分子能快速的被蚕丝蛋白所吸收(如图3、图4所示)，换句话说，蚕丝蛋白只对液态水分子有响应。因此，本专利技术所述的柔性湿度传感器能够用于检测环境中是否含有液态水分子，更进一步地讲，在一些特定的场合可以区分是液态水分子和气态水分子的存在。本专利技术通过采用生物可兼容的天然高分子材蚕丝蛋白薄膜作为湿度传感器的湿敏材料，所述蚕丝蛋白薄膜对水分子的选择性吸附的独特特性，使得它能够检测液态水分子的存在性，甚至可以在特定场合区分液态水分子和气态水分子。如此，本专利技术解决了现有柔性湿度传感器无法识别空气中的水分子存在形式的问题。进一步地，柔性湿度传感器能够区分所处环境中的液态水分子和气态水分子。进一步地，柔性基底为聚二甲基硅氧烷聚合物基底。所述聚二甲基硅氧烷聚合物基底具有很好的柔性。进一步地，聚二甲基硅氧烷聚合物基底通过倒模的方式在与叉指电极配合的一面制造出规则条纹。即在模具内设置规则条纹。优选地，所述规则条纹宽度为100μm、高度为50μm，所述聚二甲基硅氧烷聚合物基底的尺寸为65*30*1mm3。本专利技术通过在聚二甲基硅氧烷聚合物基底上设置规则条纹，能够有效增大聚二甲基硅氧烷聚合物基底的表面积，因此大大增加了外界与叉指电极之间的湿敏材料的接触表面积，提高柔性湿度传感器的灵敏度。进一步地，叉指电极为石墨叉指电极，叉指电极预留有电极的引出区域，所述的引出区域面积为5*5mm2。所述石墨叉指电极不仅导电性能好而且价格低廉，原料易获得。进一步地，石墨叉指电极采用丝网印刷技术制备。所述丝网印刷技术是一种具有通用性、可批量化生产、低成本等特性的成熟工艺。采用了主要成分为石墨的油墨作为制备电极的材料，它具有经济效益，配合丝网印刷技术，可以很容易的进行大规模加工，解决了规模化制备的问题。进一步地，叉指电极包括N个叉指重叠单元，N为大于等于1的正整数，所述的每个叉指重叠单元有效重叠长度为14.4-14.8mm。所述的预留区域与所述的叉指电极的距离为2mm，设置有2个引出区域，2个引出区域呈左右对称，且所述的预留区域与所述的叉指电极的厚度相同。优选地，所述叉指电极的宽度为500μm，所述叉指电极的叉指电长度是15mm,所述叉指电极的间隙200-600μm。进一步地，蚕丝蛋白薄膜完全覆盖叉指电极。优选地，所述蚕丝蛋白薄膜的厚度为3-9μm，蚕丝蛋白薄膜的长度和宽度分别为45mm和20mm。一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：1)、制备柔性基底：采用聚二甲基硅氧烷聚合物通过3D打印模具倒模得到柔性基底；具体地，首先，通过SOLIDWORKS绘图软件画出模具，模具外围尺寸75*75*3.5mm3，开槽尺寸65*65*1mm3，开槽底部有规则条纹，规则条纹宽度为100μm，规则条纹高度为50μm，然后通过高精度的3D打印机打印模具。然后，按照基液和交联剂10：1的比例混合制得液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)，将其倒入打本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，包括柔性基底(1)、叉指电极(2)和湿敏材料(4)，所述叉指电极(2)位于柔性基底(1)和湿敏材料(4)之间，其特征在于，所述湿敏材料(4)为蚕丝蛋白薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，包括柔性基底(1)、叉指电极(2)和湿敏材料(4)，所述叉指电极(2)位于柔性基底(1)和湿敏材料(4)之间，其特征在于，所述湿敏材料(4)为蚕丝蛋白薄膜。2.根据权利要求1所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述柔性湿度传感器能够区分所处环境中的液态水分子和气态水分子。3.根据权利要求1所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)为聚二甲基硅氧烷聚合物基底。4.根据权利要求3所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷聚合物基底通过倒模的方式在与叉指电极(2)配合的一面制造出规则条纹。5.根据权利要求1所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述叉指电极(2)为石墨叉指电极，所述叉指电极(2)预留有电极的引出区域(3)，所述的引出区域(3)的面积为5*5mm2。6.根据权利要求5所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述石墨叉指电极采用丝网印刷技术制备。7.根据权利要求1所述的一种基于蚕丝蛋白的柔性湿度传感器，其特征在于，所述叉指电极(2)包括N个叉指重叠单元，N为大于等于1的正整数，所述的每个叉指重叠单元有效重叠长度为14....

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓升，文丹良，刘欣，邓海涛，孙德恒，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51