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基于CNT-PDMS电极的自供电湿度传感器

2023-01-29
来源:MEMS

  人们生活中频繁使用的便携式电子设备显示出自供电系统的重要性。在这方面,摩擦电纳米发电机(TENG)由于其设计的多样性和高功率输出而引起了广泛关注。作为TENG电极中广泛使用的材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)显示出独特的优势,例如电子亲合性、柔性和易于制造。

  据麦姆斯咨询报道,近日,为了实现基于TENG的主动湿度感测,谢里夫理工大学(Sharif University of Technology)的研究人员提出了一种增强PDMS亲水性的简单方法,其包括两种并行工艺:1、孔隙率诱导;2、碳纳米管(CNT)复合。上述两种工艺都是在合成过程中通过加水进行的,这不仅完全安全(与类似的发泡/复合路线相比),而且适用于各种纳米材料。与裸电极相比,将改性电极用作基于TENG的单电极湿度传感器显著提高了传感响应(从56%到108%)。此外,环境湿度的检测范围扩大到80%。所制备的基于CNT-PDMS泡沫(foam)的湿度传感器不仅具有优异的传感特性,而且由于其重量轻和理想的自供电,在便携式应用领域显示出巨大的前景。

  在这项研究中,为了降低PDMS的疏水性,将CNT做成一种水溶液加入到聚合物中。在这种方法中,由于纳米材料会被PDMS包围,因此在水溶液中添加纳米材料是可行的,从而形成生物相容性表面。CNT-PDMS多孔电极的制备过程如下图所示,由于CNT是亲水性的,有助于水滴更有效地分散在聚合物中,因此在捕获的水分蒸发后会产生更高的孔隙率。

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  CNT-PDMS多孔电极的制备步骤示意图

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  在PDMS网络和CNT-PDMS网络内部形成包含水分子的孔,其中作为水分子分离剂的CNT的存在可以产生更小的孔。

  为了研究CNT-PDMS电极的TENG性能,研究了三种单电极TENG的输出电压和电流。基于致密PDMS、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG的输出电压平均值分别为35±19V、30±13V和27±15V。类似地,与产生最大峰值约为3A的多孔电极相比,致密PDMS的平均输出电流更高(4.1A)。由于电流最大峰值的变化比电压稍小,所以通过记录输出电流来进行湿度感测。

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  基于致密PDMS、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG产生的电压和电流

  随着环境湿度的增加,电极的表面电荷密度逐渐减小。对于致密PDMS和多孔PDMS,电流的减少不会持续到较高的相对湿度(RelaTIve Humidity,RH)值,而对于CNT-PDMS,在整个RH范围内可以观察到输出信号的减少。研究人员进一步研究了三种单电极TENG自供电传感器的传感行为。与纯聚合物电极相比,CNT-PDMS能够在30%-80%的整个RH范围内感应相对湿度的变化。CNT-PDMS电极表现出对湿度变化的最高响应,RH=80%时,响应高达108%,这大约是致密PDMS和多孔PDMS最高值(分别为56%和50%)的两倍。因此,添加CNT将湿度响应提高了100%以上。

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  所制备的TENG的传感行为

  本项研究工作的突出特点不仅是由于应用了TENG而实现了自供电,而且由于有源电路设计而实现了整个装置的集成。此外,所制备的CNT-PDMS泡沫非常轻且具有柔性,有利于穿戴式/便携式应用。与以前基于PDMS、CNT或TENG的聚合物传感器的研究相比,研究人员所开发的湿度传感器的响应和恢复时间是可观的(约2秒)。

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  多孔PDMS和CNT-PDMS的动态响应,显示湿度传感的响应和恢复时间。

  总之,研究人员提出了通过添加CNT来制备PDMS基泡沫的方法。所获得的电极的传感特性非常突出:响应为108%(提高了100%以上);RH范围扩大到80%;响应/恢复时间保持在约2秒。所提出的基于PDMS的自供电湿度传感器在便携式电子设备以及工业应用中极具前景。



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