[发明专利]湿气、气体和流体传感器

说明书

一种湿气、气体、流体启用的传感器，其包括电子组件和感测组件。感测组件包括活性电极层、中间层和低活性层。当暴露在湿气、气体或流体中时，感测组件会产生电力，该电力然后用于为电子组件供电。

相关申请的交叉引用

本公开要求2019年11月12日提交的美国临时申请号62/934,190；2019年11月12日提交的美国临时申请号62/934,175和2019年11月12日提交的美国临时申请号62/934,182的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体涉及传感器，更具体地涉及用于检测湿气、气体和流体(例如但不限于湿度、水、尿液和血液)的自供电传感器及其制造方法。

背景技术

传感和检测元件在健康诊断、工业过程监控和环境保护方面有着广泛的应用。在需要控制湿气或湿度水平的领域，包括电子制造、光学测量和处理、核应用、生物医学应用和蒸汽泄漏检测，传感器可以发送指示存在水分和蒸汽的信号。在湿度水平测量领域，例如检测呼吸脉冲，传感器对产生的湿气具有灵敏的响应。举一个简单的医疗保健的例子，患者在睡眠时的呼吸频率根据心脏和喉咙的状况而有所不同，这有助于监测和诊断潜在的疾病。

目前市售的湿度或湿气传感器大多由电池供电，因此其最小体积有限，充电量也受其体积的限制。

因此，提供了一种新型的自供电的湿气、气体和流体传感器及其制造方法。

发明内容

本公开涉及湿气、气体或流体启用的传感器。在一实施例中，传感器可以看作是自供电的。该传感器包括电子组件和感测组件，由此感测组件例如当暴露于湿气、气体或流体中时会产生电力或功率，产生的电力随后被电子组件用于执行某些应用或功能。

电力是基于活性金属电极层与由与活性金属电极层接触的中间层吸收的湿度、流体或湿气之间的电物理和/或电化学反应而产生的。在一实施例中，中间层由多孔亲水性纳米或微米级材料制成。本公开的一个优点在于不需要将外部电解质添加到感测组件，因为通过中间层对湿气/流体的吸附可启动感测组件的发电。

在本公开的一方面，提供了一种自供电传感装置，包括：电子组件和感测组件。感测组件包括活性材料电极层、低活性电极层以及在活性材料电极层和活性较低层之间的中间层。中间层包含至少一种具有纳米和/或微米级结构的材料。其中当湿气与中间层接触时，感测组件产生电力以为电子组件供电。

在另一方面，中间层包括压制的石墨基粉末或石墨。在进一步的方面，压制的石墨粉末被压制成圆盘状的中间层。在又一方面，中间层是多孔的并且是亲水的。在一方面，活性材料电极层和低活性电极层与中间层直接电接触。另一方面，中间层对湿气、气体或流体的吸收在活性材料电极层和低活性电极层之间产生电压差。

在另一方面，中间层包括碳纳米纤维(CNF)、碳纳米颗粒(CNP)、石墨烯薄片、石墨或TiO₂纳米线。在另一个方面，中间层通过亲水处理进行处理。在又一方面，亲水处理包括氧等离子体处理或酸氧化。在另一方面，与活性材料电极层的材料相比，低活性电极层的材料对湿气的化学或物理反应性更小。在又一方面，活性材料电极层、低活性电极层和中间层包括单层材料或多层材料。在另一方面，活性材料电极层、低活性电极层和中间层包括单层或多层的混合材料。

在另一方面，电子组件包括低能量无线设备、低能量无线通信设备、蓝牙低能量(BLE)设备和专用传感器中的至少一个。在另一方面，专用传感器包括湿度传感器、乳酸传感器、矿物质传感器、温度传感器、葡萄糖水平传感器、尿液分析组件或血液分析组件。在又一方面，低能量无线设备通过中间层吸收湿气在活性材料电极层和低活性电极层之间产生电压差来供电。在又一方面，电子组件包括无线电组件。