濕度作為一種重要的環(huán)境參數(shù),在人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域都扮演著重要角色。同時,濕度作為一種環(huán)境友好型能源也得到越來越多的重視。因此合理借助濕度變化開發(fā)能源器件和對環(huán)境濕度進行有效監(jiān)測具有重要的研究意義。濕度傳感器和濕度響應致動器作為監(jiān)測濕度和利用濕度變化的功能器件,近年來得到越來越多的研究和發(fā)展。濕度傳感器方面,更多的復合材料被開發(fā)用于濕度監(jiān)測,傳感器的性能也得到不斷提升。濕度響應致動器方面,更多智能化、生物相容性好且應用場景更為廣泛的致動器被開發(fā)。雖然監(jiān)測濕度和利用濕度變化的濕度響應功能器件得到了長足的發(fā)展,但隨著科技的不斷進步,人們生活正朝著智能化方向發(fā)展,特別在可穿戴器件的研發(fā)以及對周圍環(huán)境能源的合理利用等方面需求日益凸顯,濕度響應功能器件在設(shè)計、制備、集成與應用等方面仍存在一些問題:(1)器件結(jié)構(gòu):器件結(jié)構(gòu)相對簡單,缺乏結(jié)構(gòu)化設(shè)計改善器件性能;(2)器件尺寸:器件尺寸普遍為宏觀器件,開發(fā)微型化、集成化器件的需求逐步提升;(3)器件功能:器件功能相對單一,濕度響應致動器面臨實用化功能拓展的挑戰(zhàn)。針對上述問題,本論文選用聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)為濕度敏感材料,借助納米壓印、激光直寫、旋涂-熱蒸發(fā)等加工工藝,圍繞PEDOT:PSS的濕度敏感特性,設(shè)計并制備了濕度響應功能器件,解決了器件結(jié)構(gòu)化、器件微型化、器件集成化和器件功能拓展化等問題,研究了器件的特性及應用。主要成果具體如下:1.PEDOT:PSS濕度響應功能器件的結(jié)構(gòu)化。利用納米壓印技術(shù)將微結(jié)構(gòu)引入PEDOT:PSS濕度傳感器,通過器件結(jié)構(gòu)化提升器件性能。納米壓印制備的PEDOT:PSS微結(jié)構(gòu)具有良好的空間均勻性和大面積均勻性,通過調(diào)節(jié)納米壓印模板參數(shù),實現(xiàn)多種寬度微結(jié)構(gòu)的可控制備�；赑EDOT:PSS微結(jié)構(gòu)制備的濕度傳感器具有良好的穩(wěn)定性和較短的響應-恢復時間(1.12 s/0.59 s)等優(yōu)點。納米壓印技術(shù)制備的PEDOT:PSS/MXene微結(jié)構(gòu)濕度傳感器比PEDOT:PSS微結(jié)構(gòu)濕度傳感器的靈敏度高出一個數(shù)量級。2.PEDOT:PSS濕度響應功能器件的微型化。利用飛秒激光直寫技術(shù)制備PEDOT:PSS微米線濕度傳感器,在器件結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)上實現(xiàn)器件尺寸微型化,進一步提升器件性能。PEDOT:PSS微米線濕度傳感器具有微型化(有效工作區(qū)域100μm~2),可集成和響應-恢復時間短(0.86 s/0.59 s)等優(yōu)點。PEDOT:PSS微米線濕度傳感器可實現(xiàn)人體呼吸的實時監(jiān)測與不同狀態(tài)下呼吸頻率的區(qū)分。同時,PEDOT:PSS微米線濕度傳感器可以用于實時監(jiān)測實驗大鼠的呼吸頻率,并能記錄注射呼吸促進類藥物前后大鼠的呼吸頻率變化,展現(xiàn)出其在藥物遞送等藥理學研究中的應用前景。3.PEDOT:PSS濕度響應功能器件的集成化。利用飛秒激光直寫制備PEDOT:PSS/P3HT微米線雙重響應集成傳感器,在器件尺寸微型化的基礎(chǔ)上,進一步探索集成傳感器的開發(fā)。飛秒激光直寫P3HT溶液制備出微型紫外光電探測器,通過摻入Zn O、Ti O_2等納米粒子對P3HT微米線紫外光電探測器性能進行優(yōu)化。將P3HT微米線和PEDOT:PSS微米線集成于一個器件上,可實現(xiàn)紫外光和濕度的雙重探測,且兩種探測功能互不干擾。證明了飛秒激光直寫技術(shù)在制造集成化傳感器方面的能力。4.PEDOT:PSS濕度響應功能器件的功能拓展化。利用旋涂-熱蒸發(fā)工藝實現(xiàn)PEDOT:PSS/PVDF雙層膜濕度響應致動器和發(fā)電機的可控制備,在濕度傳感器的基礎(chǔ)上對PEDOT:PSS在濕度響應致動器中的功能化應用進行拓展。PEDOT:PSS/PVDF雙層膜致動器具有大范圍雙向彎曲能力(-191°~225°),可靠的響應-恢復特性以及良好的穩(wěn)定性。進一步借助激光切割技術(shù)可以將PEDOT:PSS/PVDF雙層膜致動器制成任意二維形狀。基于PEDOT:PSS/PVDF雙層結(jié)構(gòu)的濕度響應發(fā)電機能夠有效的將濕度變化轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓輸出,最大值可達150m V。這種濕度發(fā)電機具有良好的電路兼容性,可直接為電容器充電,并點亮LED燈。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TQ317;TP212
【部分圖文】：

呼吸過程有明顯的水分子濃度變化,且不論環(huán)境相對濕度高低,吸氣過程由于氣流帶走空氣中的水蒸氣,均會造成局域相對濕度下降;呼氣過程因呼出水蒸氣,均會造成局域相對濕度上升。因此濕度傳感器可以監(jiān)測人的呼吸過程,獲得呼吸頻率和呼吸深度等呼吸健康信息。在此,我們把用嘴呼吸以及說話、咳嗽時產(chǎn)生的濕度變化也歸為呼吸監(jiān)測的范疇。呼吸監(jiān)測的基礎(chǔ)功能是實現(xiàn)對呼吸過程濕度變化的記錄,進一步可以根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)提取出呼吸頻率、呼吸深度等數(shù)據(jù)。例如,Wu等人利用液滴涂布法將碳納米線圈水分散液制備在柔性液晶聚合物基底上,從而制造出具有快速響應、高靈敏度和高分辨率的濕度傳感器[4]。利用此濕度傳感器可以準確地監(jiān)測人的呼吸、說話、吹氣等。同時,它還可以通過識別呼吸模式來區(qū)分人不同的身體狀態(tài)。Zhen等人用化學氣相沉積法在銅-鋅合金上生長具有獨特的褶皺形態(tài)的石墨烯,并以此制成具有超快速響應的濕度傳感器[5]。該傳感器被制成面具,并成功地用于監(jiān)測呼吸頻率和深度的突然變化,例如呼吸障礙或停滯(圖1.1),以及由于談話、咳嗽引起的濕度變化。由呼吸監(jiān)測的基礎(chǔ)功能進一步發(fā)展,可以實現(xiàn)對呼吸相關(guān)疾病的監(jiān)測。呼吸作為一項人體重要生理活動,是人體健康的重要指標之一,肺炎、哮喘、阻塞性睡眠呼吸暫停等諸多疾病的外在表現(xiàn)均包括呼吸異常。研究者通過對呼吸頻率、峰值流速等數(shù)據(jù)的監(jiān)測與處理,可以實現(xiàn)對肺部或呼吸道相關(guān)疾病的監(jiān)測。例如,Bhattacharjee等人通過在紙張表面沉積金納米粒子和硫化鎘納米粒子制備了紙基濕度傳感器[6]。將紙基濕度傳感器與吸嘴、微型加熱器和實時監(jiān)測單元組裝可以用于實時肺功能監(jiān)測。該設(shè)備集成了兩種類型的實時監(jiān)視單元:基于LED的單元通過閃爍不同顏色的LED來顯示肺部的疾病,基于移動監(jiān)視單元的軟件可以通過智能手機進行肺功能參數(shù)的實時測試、監(jiān)控、分析和數(shù)據(jù)存儲(圖1.2)。

由呼吸監(jiān)測的基礎(chǔ)功能進一步發(fā)展,可以實現(xiàn)對呼吸相關(guān)疾病的監(jiān)測。呼吸作為一項人體重要生理活動,是人體健康的重要指標之一,肺炎、哮喘、阻塞性睡眠呼吸暫停等諸多疾病的外在表現(xiàn)均包括呼吸異常。研究者通過對呼吸頻率、峰值流速等數(shù)據(jù)的監(jiān)測與處理,可以實現(xiàn)對肺部或呼吸道相關(guān)疾病的監(jiān)測。例如,Bhattacharjee等人通過在紙張表面沉積金納米粒子和硫化鎘納米粒子制備了紙基濕度傳感器[6]。將紙基濕度傳感器與吸嘴、微型加熱器和實時監(jiān)測單元組裝可以用于實時肺功能監(jiān)測。該設(shè)備集成了兩種類型的實時監(jiān)視單元:基于LED的單元通過閃爍不同顏色的LED來顯示肺部的疾病,基于移動監(jiān)視單元的軟件可以通過智能手機進行肺功能參數(shù)的實時測試、監(jiān)控、分析和數(shù)據(jù)存儲(圖1.2)。(二)皮膚監(jiān)測濕度傳感器

通常情況下,與呼吸監(jiān)測相比,皮膚表面濕度監(jiān)測時的濕度信號更弱,因而對濕度傳感器的靈敏度和檢測極限等性能參數(shù)提出了更高的要求。皮膚表面的濕度監(jiān)測不僅對健康監(jiān)測有重要意義,而且在非接觸式定位中也有著巨大應用潛力。一部分皮膚監(jiān)測濕度傳感器是通過對皮膚表面汗液水平等濕度信息的監(jiān)測從而對皮膚健康以及體感舒適度等進行信息反饋。此類皮膚監(jiān)測濕度傳感器需附著于皮膚表面或與皮膚近距離接觸,因此對傳感器的材料組分的安全性和親膚性等都有著更高要求。例如,Jeong等人通過使用生物相容性材料(金、聚乙烯醇和聚對二甲苯)開發(fā)了可長時間監(jiān)測皮膚濕度的透氣納米網(wǎng)濕度傳感器[7]。該傳感器具有出色的透氣性和汗液滲透性,并可以長時間精確檢測濕度水平。如圖1.3所示,該傳感器成功地實時監(jiān)測人體皮膚的濕度水平,可用于揭示皮膚濕度與疾病之間的相關(guān)性。圖1.4 Ti3C2/Ag濕度傳感器用于非接觸式記錄移動的手指與傳感器距離[8]。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王家疇;榮偉彬;李昕欣;孫立寧;;基于體硅工藝的定位平臺制作工藝分析[J];光學精密工程;2008年04期

本文編號：2867922