基于介电弹性体的湿度传感器

在有雾等高湿度的环境下，大多数传统的基于聚合物和陶瓷吸湿材料的电容式和电阻式传感器由于传感器内部存在表面水凝结和吸水材料饱和现象在接近露点（80%-100%）时失效，仅仅在20%-80%中等相对湿度范围内工作最佳（例如基于氧化石墨的吸湿传感器的阻抗读数在80%相对湿度以上达到饱和）。因此需要开发一种低成本、能在高湿度下有效工作的高湿度传感器。

近些年来，对于介电弹性体的研究和应用通常集中于静电驱动或者AR虚拟交互等。通电激活后，夹在电极材料中间的介电弹性体在麦克斯韦应力挤压作用下产生双轴膨胀响应，膨胀响应的变形大小在相同麦克斯韦应力下受材料模量影响。因此，如果材料具有优良的吸湿性和吸湿软化性像松果鳞片一样，这种“湿态”的介电弹性体致动器（DEA）也能产生高湿度敏感性而用以制作低成本、高可用湿度传感器。

近期，来自国立交通大学的Gih-Keong Lau团队，在Sensors and Actuators: B. Chemical杂志上发表题为“High humidity sensing by ‘hygromorphic’ dielectric elastomer actuator”的文章，基于增塑、高湿度敏感性的聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS)和相对水惰性”丙烯酸介电弹性体制作了介电弹性体致动器-湿度传感器。其中PEDOT: PSS电极材料随着湿度的增大而软化，并且在电激活状态下，湿气渗透到介电弹性体基底，体系电阻率降低而产生突增漏电流响应以赋予介电弹性体湿度敏感能力和湿度依赖性。更为重要的是这种基于DEA的湿度传感器在两个电极都被雾状水滴喷洒时仍能工作。

图1 增塑PEDOT：PSS电极的介电弹性体致动器及基于激增漏电流衡量湿度测量原理

研究人员首先将径向预拉伸的3M VHB 4910薄膜固定到刚性固定环上并被上下两侧的直径为20mm厚度0.23μm的吸湿PEDOT:PSS电极薄膜夹持（图1）。PEDOT:PSS薄膜由40.78%的PEDOT:PSS悬浮液、4.5%的表面活性剂(Triton-x100)和54.72%的去离子水组成的导电油墨经过旋涂制得。所制造的介电弹性体致动器光学透明，具有高达90%的线内透射率。随后研究人员建立了介电弹性体致动器随湿度变化的径向扩张变形和电介质电阻从而引起漏电流显著变化的理论公式，说明了可靠湿度测量的机制。 

图2 用于监测湿态介电弹性体致动器的主动应变和漏电流的实验装置

随后研究人员利用图2所示的湿度控制室内研究DEA高湿度传感器的测量性能。电压放大器（Trek）将函数发生器输出的小电压信号放大为高压信号施加到DEA致动器之上，使用数字万用表连续测量DEA产生的漏电流，并记录电激活时在不同湿度情况下致动器湿态膨胀大小。首先，研究人员对电激活的DEA致动器进行了喷雾测试即从RH65%喷雾增加至RH100%湿度以模拟露点对致动器的影响。根据实验结果，由于水滴渗入至PEDOT:PSS并成为电极的一部分，由于PEDOT:PSS软化使电极膨胀由1.3%增加至7%，但是这种致动器的驱动应变增加具有很长的延后响应性，不适合作为传感器指标。另一方面，由于水滴的介入，相较于低湿度下的干激活，会产生1.1μA的漏电流突增且响应时间很短。

图3 DEA湿度传感器在从RH65%增加到露点（RH100）下漏电流和驱动应变

随后，研究人员描述了湿态DEA致动器在湿度室中不同湿度下的机电响应，对于每个湿度级别的脉冲激活均监测湿度对电压引起变形和漏电流的影响。结果如图4所示，漏电流信号强度随着湿度增加而增加，与湿度调节电极材料模量而膨胀应变增加成正相关。在电激活期间，信号强度几乎保持不变且强度大于噪声信号。与电压感应变形不同，漏电流的响应没有蠕变和滞后性。最后，研究人员将这种湿度引起体积电阻率变化而使漏电流变化进行了数学公式拟合（图5）。

图4 室温下“湿态”DEA致动器在脉冲激活下不同湿度的变形和漏电流测量

图5 基于DEA致动器测量结果的RH湿度-漏电流方程拟合

由于使用的VHB电介质薄膜厚度仍然较高，因此驱动DEA致动器的电压仍然高达几kv，但是可以通过进一步减薄电介质薄膜厚度以降低电压需求。并且由于这种DEA致动器的小型化使得其比较容易集成到芯片中使得高湿度传感器的制造和使用变得容易、具有一定前景。

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论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400520316087?via%3Dihub

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