一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器、制备及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，包括轻质上盖、二氧化硅衬底、湿敏传感元件、湿敏薄膜电阻检测器件、电路信号线和底座，湿敏传感元件包括还原氧化石墨烯基湿敏薄膜和叉指金电极；可以通过检测蒸腾作用释放出的水分子来检测植物的蒸腾作用并进行评定；同时还提供了其使用方法，以及还原氧化石墨烯湿敏薄膜的制备方法。

A humidity sensor based on reduced graphene oxide humidity sensitive film, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器、制备及使用方法
本专利技术属于小型及微型传感装置
，具体涉及的是一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器、制备及使用方法。
技术介绍
作物育种的主要目标之一是培育出抗逆性较强的作物品种，而植物抗旱性能的衡量可以以水分在植物体内运输的相关量和蒸腾作用强弱作为指标，也就是对植物的水分利用率的进行量化的指标。这就要求人们用传感器对水分在植物体内运输时的相关物理量进行测量。植物通过叶片气孔释放水蒸气的过程，就是蒸腾作用，它是植物水分输送的生理过程。植物从土壤中吸收水分，并运输到植物体各个部位的过程中，保证植物从根到叶的水柱的连续性，十分重要。而在水柱的连续性的保障上，除了植物导管内水的内聚力、植物根部的渗透压，借由蒸腾作用产生的蒸腾拉力也发挥了重要作用。植物能够实现连续的生理功能，并有能力调节蒸腾作用的强弱，优化内部温度。而且，植物光合作用的进行也需要借助蒸腾作用中植物对气孔进行关闭来减少水分的流失，并通过调控气孔的开闭控制二氧化碳进入，进而才能保证光合作用的正常进行并释放氧气。当叶片表面的气孔打开的时候，水蒸气会从叶子中溢出，增大叶子表面的局部湿度。另一方面，植物也会关闭气孔，使水分的蒸发减少，降低湿度。可见蒸腾作用是植物生存的一个关键过程。因为具有着独特的光学、电气、机械和化学等方面的性质，氧化还原石墨烯及其相关材料，在越来越多的领域当中受到人们的日益增加的关注。通常人们认为还原氧化石墨烯的结构中包含羧基、羟基，这决定了还原氧化石墨烯具有高亲水性的性能，人们甚至可以在其中引入各种类型的分子(尤其是极性分子)。根据相关技术报道，大气当中的水蒸气，对于还原氧化石墨烯的电子传输、电学性能有显著影响。由此可以制作基于还原氧化石墨烯的湿度传感器，从而对植物的蒸腾作用强弱以及植物体内水分的运输进行监测和量化。目前土壤水分传感器的发展较好，然而，可用来监测植物体内水分运输和蒸腾作用强弱的传感器较少，其中经济有效而又高性能的更为缺少。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种可以通过检测蒸腾作用释放出的水分子来检测植物的蒸腾作用并进行评定的基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，同时还提供了其使用方法，以及还原氧化石墨烯湿敏薄膜的制备方法。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，包括轻质上盖、二氧化硅衬底、湿敏传感元件、湿敏薄膜电阻检测器件、电路信号线和底座，所述轻质上盖的上表面设有镂空透气孔，下表面设有穿线孔，所述湿敏传感元件包括还原氧化石墨烯基湿敏薄膜和叉指金电极，所述还原氧化石墨烯基湿敏薄膜置于叉指金电极的上表面，所述叉指金电极置于二氧化硅衬底的上表面，所述二氧化硅衬底置于湿敏薄膜电阻检测器件的上表面，所述湿敏薄膜电阻检测器件置于底座上，所述湿敏薄膜电阻检测器件通过导线分别与叉指金电极的两个引脚相连，所述电路信号线一端连接湿敏薄膜电阻检测器件，另一端从穿线孔引出并连接计算机或微处理器。优选的，所述二氧化硅衬底和湿敏薄膜电阻检测器件的四角均各设有一个圆形通孔，所述二氧化硅衬底和湿敏薄膜电阻检测器件对应位置的圆形通孔对齐设置。进一步的，所述底座底部的四角各设置一个螺栓。优选的，所述叉指金电极是通过二氧化硅表面通过光刻法制得。优选的，所述还原氧化石墨烯湿敏薄膜为层状结构，并由直径微米级的还原氧化石墨烯片堆叠构成。一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器的使用方法，包括以下步骤：步骤S1、制备还原氧化石墨烯湿敏薄膜；步骤S2、完成步骤S1后，采用湿敏薄膜电阻检测器件监测湿敏传感元件的电阻并将数据通过电路信号线传出；步骤S3、通过检测所述步骤S2传出的湿敏传感元件的电阻值的变化，检测相对湿度的变化。一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器的还原氧化石墨烯湿敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤S1.1、称取适量的还原氧化石墨烯粉末及量取适量的去离子水，配制成浓度为20mg/mL的还原氧化石墨烯分散液；步骤S1.2、将PDMS基液与固化剂按10：1充分混合，并在真空干燥器中脱气20分钟，制得PDMS先导液，将所述PDMS先导液导入预先准备好的方形环模具中，再放入干燥箱中处理3小时，干燥温度为80℃，而后取出即得到3mm高的PDMS方形环；步骤S1.3、将所述步骤S1.2中的PDMS方形环覆盖在有叉指金电极的二氧化硅衬底上，用以将还原氧化石墨烯分散液限制在二氧化硅衬底表面；步骤S1.4、向所述步骤S1.3中的PDMS方形环区域内滴加适量的所述步骤S1中的还原氧化石墨烯分散液，并使得每单位表面积的还原氧化石墨烯分散液的体积为100μL/cm2，随后将湿敏传感元件放入90℃干燥箱中干燥两小时，得到厚度为1.45μm的还原氧化石墨烯薄膜；步骤S1.5、重复步骤S1.4五次，得到厚度为7μm的还原氧化石墨烯湿敏薄膜，而后去掉PDMS方形环。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术设计的基于还原氧化石墨烯薄膜的湿度传感器，提供了一种简单方便监测植物蒸腾作用的方法，能够及时准确地反馈植物对水分的利用情况。(2)本专利技术设计的基于还原氧化石墨烯薄膜的湿度传感器由于其轻便性，可以直接安装在植物叶片上，能够更真实地反映植物的蒸腾作用，石墨烯薄膜的原材料为石墨烯碎片，成本低廉，具有较好的行业推广前景。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图2是本专利技术的湿敏传感元件的结构示意图；图3是本专利技术的PDMS方形环的示意图；图4是本专利技术的还原氧化石墨烯湿敏薄膜和叉指金电极之间的相对位置分布示意图；图5是效果例的湿敏传感元件的电阻值的变化与湿度变化的线性相关性图。附图标记说明：1、穿线孔；2、圆形通孔；3、镂空透气孔；4、轻质外壳；5、二氧化硅衬底；6、湿敏薄膜电阻检测器件；7、螺栓；8、还原氧化石墨烯湿敏薄膜；9、叉指金电极；10、PDMS方形环；11、电路信号线；12、底座；13、导线；14、引脚。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该专利技术产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，包括轻质上盖、二氧化硅衬底、湿敏传感元件、湿敏薄膜电阻检测器件、电路信号线和底座，所述轻质上盖的上表面设有镂空透气孔，下表面设有穿线孔，所述湿敏传感元件包括还原氧化石墨烯基湿敏薄膜和叉指金电极，所述还原氧化石墨烯基湿敏薄膜置于叉指金电极的上表面，所述叉指金电极置于二氧化硅衬底的上表面，所述二氧化硅衬底置于湿敏薄膜电阻检测器件的上表面，所述湿敏薄膜电阻检测器件置于底座上，所述湿敏薄膜电阻检测器件通过导线分别与叉指金电极的两个引脚相连，所述电路信号线一端连接湿敏薄膜电阻检测器件，另一端从穿线孔引出并连接计算机或微处理器。

【技术特征摘要】
1.一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，包括轻质上盖、二氧化硅衬底、湿敏传感元件、湿敏薄膜电阻检测器件、电路信号线和底座，所述轻质上盖的上表面设有镂空透气孔，下表面设有穿线孔，所述湿敏传感元件包括还原氧化石墨烯基湿敏薄膜和叉指金电极，所述还原氧化石墨烯基湿敏薄膜置于叉指金电极的上表面，所述叉指金电极置于二氧化硅衬底的上表面，所述二氧化硅衬底置于湿敏薄膜电阻检测器件的上表面，所述湿敏薄膜电阻检测器件置于底座上，所述湿敏薄膜电阻检测器件通过导线分别与叉指金电极的两个引脚相连，所述电路信号线一端连接湿敏薄膜电阻检测器件，另一端从穿线孔引出并连接计算机或微处理器。2.根据权利要求1所述的一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，所述二氧化硅衬底和湿敏薄膜电阻检测器件的四角均各设有一个圆形通孔，所述二氧化硅衬底和湿敏薄膜电阻检测器件对应位置的圆形通孔对齐设置。3.根据权利要求1所述的一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，所述底座底部的四角各设置一个螺栓。4.根据权利要求1所述的一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，所述叉指金电极是通过二氧化硅表面通过光刻法制得。5.根据权利要求1所述的一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的湿度传感器，其特征在于，所述还原氧化石墨烯湿敏薄膜为层状结构，并由直径微米级的还原氧化石墨烯片堆叠构成。6.基于权利要求1所述的一种基于还原氧化石墨烯湿敏薄膜的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓璐，侯伟盛，徐春望，范梓怀，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32