前言

与光学和化学传感器相比，基于薄膜的电阻传感器在蒸汽检测应用中具有若干优势，例如低功耗、高灵敏度、良好的稳定性和出色的响应或恢复时间。此外，可以通过调整检测表面的加热过程来实现传感器信号的优化。导致气体传感器通常在几十到几百度的温度下工作。因此，操作高灵敏度蒸汽传感器的功耗和长期使用成本非常高。为了开发湿度检测系统，一种经济有效的方法是利用薄膜电阻器件本身的自热效应，在不同领域对相对湿度(RH)进行精确可靠的测量，如人体监测系统、种植园保护、化学加工、气象测量、半导体工业和室内空调。为了制造从几十纳米到几微米的小尺寸聚合物纳米纤维，静电纺丝用于纳米纤维的合成不仅通用而且简单。与其他低成本纳米纤维制备技术如熔喷、拉丝和自组装相比，静电纺丝具有更丰富和更可控的表面积与体积比、直径尺寸和更容易的纤维结构功能化等有利特性。因此，静电纺丝凭借其交互性，已被用于开发和制造具有改善的导电性的新纳米纤维，并因其在各种应用中的应用而引起了相当大的关注。

研究内容

台湾师范大学的研究人员将PVA-G复合纳米纤维器件的自加热(也称为焦耳加热)特性用于增强器件表面水分子(H2O)的活性。形成的纳米纤维的电性能(电响应)可用于以高灵敏度检测相对湿度。

实验方法

首先，将导电粘合剂铜箔(厚度=500微米)附着在干净的玻璃基板的表面上作为电极。然后利用静电纺PVA-G复合纳米纤维形成湿度传感层的薄膜结构。在这种情况下，使用经认证精度在10 %以内的市售湿度计(DTM-301H，台湾泰宝有限公司)来确定实际相对湿度。湿度传感器气体传感系统的电气特性在自组装湿度测试室中进行(尺寸=60毫米×60毫米×16毫米)。测试室内提供了控制干燥氮气和潮湿空气流量的出口和入口节流阀。为了避免温度对相对湿度的影响，当湿度水平增加时，测试室暴露在空气越来越潮湿的环境中，市售湿度计记录精确的相对湿度。当降低湿度时，干燥的氮气被释放到测试室中，同时潮湿的空气从测试室出口喷出，直到相对湿度达到规定的测试值。电源和电测量系统分别用于赋予聚乙烯醇-G纳米纤维加热性能和测量每个铜箔贴片的四点电阻。

湿度检测用聚乙烯醇-G复合纳米纤维薄膜器件制作示意图。

玻璃基底上聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯醇缩丁醛纳米纤维在514纳米激发波长下的拉曼光谱。

不同浓度聚乙烯醇自热复合纳米纤维的直径。

PVA-G纳米纤维湿度检测机理示意图。

结论

研究人员研究了聚乙烯醇-葡萄糖纳米复合纤维作为高效高灵敏湿度传感器的自热效应。该装置的拉曼光谱显示了自热聚乙烯醇薄膜的特征峰，其中聚乙烯醇在加入石墨片后保持了良好的稳定性。对于湿度检测，利用具有聚乙烯醇-G复合纳米纤维的最先进的自加热电阻传感装置不仅可以通过静电纺丝容易地制造，而且可以是传统复合薄膜装置、低成本制造和高功率的替代物。

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128934。