一种氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器

1.本实用新型涉及湿度传感器技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器。


背景技术：

2.在农业生产中，叶面湿度是监测作物健康生长的重要生理指标。如果叶面湿度没有得到很好的控制，作物很容易发生病害和虫害。因此，利用湿度传感器对叶面湿度进行实时、准确的监测，对有效防治病虫害具有重要意义。
3.现有的叶面湿度传感器由于传感器与叶片之间没有完全吻合，通常测量的是叶面的环境湿度，而不是叶面本身的实际湿度。并且以往的湿度传感器主要以电阻式、电容式湿度传感器为主，在输出模拟量时往往需要外加电源。此外，因为水分要扩散到湿敏材料的内部是一个较为缓慢的过程，湿度传感器不能像其他接触式传感器能瞬时对外部的变化做出快速反应，所以要保证较短的响应时间和恢复时间一直是湿度传感器领域内一个巨大挑战。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器，以解决现有技术的不足。
5.本实用新型采用以下技术方案：
6.一种氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器，从下至上依次为聚酰亚胺层、圆型铂电极层、氧化石墨烯层和e型铂电极层；
7.聚酰亚胺层，形状任意；
8.圆型铂电极层，由圆形本体部和第一导线接入部组成；圆形本体部下表面的尺寸小于聚酰亚胺层上表面的尺寸；
9.氧化石墨烯层，为圆柱形，厚度为10um，下表面的尺寸略大于圆型铂电极层的圆形本体部上表面的尺寸，大于圆型铂电极层的圆形本体部的部分和聚酰亚胺层贴合；
10.e型铂电极层，由e形本体部和第二导线接入部组成；e形本体部下表面的尺寸小于氧化石墨烯层上表面的尺寸，第二导线接入部超出氧化石墨烯层的部分和聚酰亚胺层贴合；
11.e型铂电极层、聚酰亚胺层贴合的部分和圆型铂电极层、聚酰亚胺层贴合的部分错开；
12.聚酰亚胺层、圆型铂电极层的圆形本体部、氧化石墨烯层和e型铂电极层的e形本体部各中心在同一垂直线上；
13.圆型铂电极层和e型铂电极层通过第一导线、第二导线接入电压采集电路。
14.进一步地，聚酰亚胺层厚度为0.025mm，圆型铂电极层的圆形本体部直径为0.8cm，圆型铂电极层厚度为50nm，氧化石墨烯层直径为1cm，e型铂电极层厚度为50nm。
15.进一步地，第一导线为铜导线，第二导线为铜导线。
16.本实用新型的有益效果：
17.本实用新型氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器因为选取了一系列柔性材料(聚酰亚胺和氧化石墨烯)并使用了柔性电极(圆型铂电极和e型铂电极)，所以具有很好的柔性，可以完全贴合叶片表面精确测量叶面湿度。
18.本实用新型氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器是一种新型的自供电式湿度传感器，它不涉及开关，不需要外加电源，通过湿度传感器自身输出电压的大小来反应当前叶面相对湿度，可以长期对叶面的湿度进行检测。
19.本实用新型氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器具有超快的响应时间和恢复时间，其采用了一种独特的垂直结构以及利用了氧化石墨烯超高的质子电导率(以往的电阻式氧化石墨烯利用不同相对湿度下电子电导率的变化)这一特点，将响应时间和恢复时间分别提高到了0.28s和0.3s，远高于其他氧化石墨烯类湿度传感器(响应时间3s左右及恢复时间7.7s左右)。
附图说明
20.图1为本实用新型氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器结构示意图。
21.图2为湿度传感器于恒温恒湿箱中测量示意图。
22.图3为不同厚度规格湿度传感器输出电压及不同相对湿度下湿度传感器输出电压图。
23.图4为本实用新型氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器响应时间及恢复时间测试图。
具体实施方式
24.下面结合实施例和附图对本实用新型做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本实用新型，但并不用来限定本实用新型的实施范围。
25.一种氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器，如图1所示，从下至上依次为聚酰亚胺层1、圆型铂电极层2、氧化石墨烯层3和e型铂电极层4；
26.聚酰亚胺层1，形状任意，厚度为0.025mm；
27.圆型铂电极层2，由圆形本体部201和第一导线接入部202组成；圆型铂电极层2厚度为50nm，圆形本体部201直径为0.8cm，圆形本体部201下表面的尺寸小于聚酰亚胺层1上表面的尺寸；
28.氧化石墨烯层3，为圆柱形，厚度为10um，直径为1cm，下表面的尺寸略大于圆型铂电极层2的圆形本体部201上表面的尺寸，大于圆型铂电极层2的圆形本体部201的部分和聚酰亚胺层1贴合(氧化石墨烯层3大于圆型铂电极层2的圆形本体部201的部分和聚酰亚胺层1贴合，实际上从图1上是看不到圆型铂电极层2，为了示意出圆型铂电极层2，图1中并没有示意出氧化石墨烯层3大于圆型铂电极层2的圆形本体部201的部分和聚酰亚胺层1贴合)；
29.e型铂电极层4，由e形本体部401和第二导线接入部402组成；e型铂电极层4厚度为50nm，e形本体部401下表面的尺寸小于氧化石墨烯层3上表面的尺寸，第二导线接入部402超出氧化石墨烯层3的部分和聚酰亚胺层1贴合；
30.e型铂电极层4、聚酰亚胺层1贴合的部分和圆型铂电极层2、聚酰亚胺层1贴合的部
分错开；
31.聚酰亚胺层1、圆型铂电极层2的圆形本体部201、氧化石墨烯层3和e型铂电极层4的e形本体部401各中心在同一垂直线上；
32.圆型铂电极层2和e型铂电极层4通过第一导线、第二导线接入电压采集电路，第一导线可选为铜导线，第二导线可选为铜导线。
33.所述氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器包括如下步骤制备得到：
34.步骤一、将固含量为20％的聚酰亚胺溶液通过旋涂仪均匀旋涂在二氧化硅基底上，再于烘箱中180℃2h将聚酰亚胺热固，得到聚酰亚胺层1；
35.步骤二、通过真空磁控溅射镀膜机利用真空镀膜法于聚酰亚胺层1上电镀圆型铂电极层2，其中，真空电镀的真空度低于0.1pa，功率为100w，温度为55℃，功率和温度过高会导致聚酰亚胺层1从二氧化硅基底上卷起影响后续氧化石墨烯溶液滴涂环节；真空电镀前将掩模版覆盖在聚酰亚胺层1上，放入臭氧机进行防皱处理，之后与铂靶材一起置于真空磁控溅射镀膜机的真空腔内，通过加热铂靶材使得铂沉降在聚酰亚胺层1表面上形成圆型铂电极层2；
36.步骤三、将10mg/ml的氧化石墨烯溶液通过移液枪滴涂在圆型铂电极层2和聚酰亚胺层1上，于烘箱内50℃2h烘干形成氧化石墨烯层3；
37.步骤四、通过真空磁控溅射镀膜机利用真空镀膜法于氧化石墨烯层3和聚酰亚胺层1上电镀e型铂电极层4，其中，真空电镀的真空度低于0.1pa，功率为100w，温度为55℃，功率和温度过高会破坏氧化石墨烯内部的含氧官能团，导致性能变差；真空电镀前将掩模版覆盖在氧化石墨烯层3和聚酰亚胺层1上，放入臭氧机进行防皱处理，之后与铂靶材一起置于真空磁控溅射镀膜机的真空腔内，通过加热铂靶材使得铂沉降在氧化石墨烯层3表面和聚酰亚胺层1表面上形成e型铂电极层4；
38.步骤五、利用氟化氢去除二氧化硅基底，圆型铂电极层2、e型铂电极层4分别焊接第一导线、第二导线，再接入电压采集电路。
39.所述氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器通过在不同相对湿度下采集不同的输出电压来完成输出电压v与相对湿度rh的标定。相对湿度计算公式为：
40.rh(％)＝(1.44
×
10-4
×v2
+1.49
×
10-2
×
v+0.4)*100％。
41.所述氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器在使用时，将水溶性胶带粘贴在聚酰亚胺层上表面，不触碰到氧化石墨烯层裸露的上表面，通过水溶性胶带将所述氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器转移到叶面的待测点上，氧化石墨烯层裸露的上表面和叶面接触，根据上述计算公式将采集的输出电压转换成相对湿度即可得到叶面当前湿度。
42.如图2所示，将所述氧化石墨烯柔性叶面湿度传感器放置于恒温恒湿箱中，通过电化学工作站chi760e的ocpt模式测量不同相对湿度下湿度传感器的开路电压。
43.测量结果如图3所示，从灵敏度和响应时间的角度来考虑，本实用新型测试了在相对湿度rh98％下不同厚度氧化石墨烯传感器的输出电压，并选取了10um厚度为最佳厚度(规格为10um厚度的湿度传感器的响应时间和恢复时间要优于15um厚度的湿度传感器)。当湿度传感器检测到湿度变化时，开路电压的变化非常迅速。
44.所述氧化石墨烯叶面湿度传感器响应时间可达到0.28s，恢复时间可达0.3s(如图4)，其超高的灵敏度归功于湿度传感器独特的设计结构和传感机理。本实用新型的湿度传
感器并没有采取以往的水平结构(叉指电极在同一水平面上左右分布，湿敏材料覆盖在叉指电极间)，而是采用了一种垂直结构(如图1)。因为这种独特的垂直结构，氧化石墨烯层的下表面完全贴合圆型铂电极层表面，完全接触不到空气中的水分子，当湿度传感器暴露在潮湿环境(叶面)中，氧化石墨烯层裸露的上表面的羟基官能团遇到水分子会电离出质子，在浓度的差异下，质子会扩散到氧化石墨烯层的下表面，最终在上下表面会形成电势差，不同的电势差大小对应当前叶面不同的相对湿度：rh％＝(1.44
×
10-4
×v2
+1.49
×
10-2
×
v+0.4)*100％。因此本实用新型湿度传感器的响应/恢复时间十分依赖于材料内部质子的扩散速度，而氧化石墨烯拥有超高的质子电导率，内部有提供给质子转移的通道支持质子扩散，所以这种电压式氧化石墨烯湿度传感器的响应时间和恢复时间能远高于其他氧化石墨烯类湿度传感器。