Датчики влажности широко применяются в таких областях, как мониторинг окружающей среды, здравоохранение, хранение продовольствия и т.д. Традиционные датчики влажности, как правило, зависят от электроники или электрохимических механизмов, которые, несмотря на свои успехи в некоторых областях, имеют тенденцию иметь сложные, продолжительные и дорогостоящие проблемы. В последние годы исследователи постепенно обратили внимание на датчики влажности, основанные на принципах структурного цвета. Используя плёнку из водного геля, объединяющую 3D-принтеры фотонных кристаллов, можно разработать новый тип датчика влажности, обладающий такими преимуществами, как высокая чувствительность, быстрый ответ и низкая стоимость. В этой статье подробно описаны принципы проектирования, методы подготовки, характеристики производительности и перспективы применения этого сенсора влажности, основанного на структурных цветах.

Принципиальный обзор

Структурный принцип цвета

Структурный цвет — это цвет, производимый путём интерференции, дифракции и рассеяния микроструктур света, а не для поглощения цветов, возникающих при помощи химической краски. Фотонные кристаллы CY7C1338G-100AXC (ци7c1338g — 100axc) — материал с периодическим распределением диэлектрических диэлектрических соединений, которые могут контролировать распространение света в них, регулируя их микроскопическую структуру. Фотонный промежуток в фотонных кристаллах может заставить свет определенной длины волны отражаться или проходить сквозь него, создавая структурный цвет.

Влажность водяного геля

Гидрогель — высокомолекулярный материал трёхмерной структуры сети с хорошей всасыванием и сохранностью воды. Водяной гель расширяется в объёме после поглощения влаги, и изменения объёма тесно связаны с влажностью окружающей среды. Интегрируя фотонные кристаллы в плёнку водо-гель, можно регулировать структуру фотонного кристалла с помощью влажности водяного геля, таким образом изменяя цвет и создавая ощущение влажности.

Дизайн и подготовка

Выбор материалов

1. Гидрогель: часто используемый водо-гель состоит из полиакрила (PAA), полиэтиленгликоля (PVA), полиэтиленгликоля (PEG) и т.д. Эти материалы имеют хорошую влажность и обрабатываемость, и могут выбирать подходящие водо-гелевые материалы в соответствии с конкретными требованиями.

2. Фотонные кристаллы: часто используемые фотонные кристаллы включают в себя диоксид кремния (SiO2), диоксид титана (TiO2), полистирол (PS) и т.д. Выбор подходящего фотонного кристаллического материала может быть определен в соответствии с необходимыми фотонными зонами и технологиями изготовления.

Изготовление водяного геля

1. Раствор: растворить выбранный водо-гель в надлежащих растворителях и приготовить однородный раствор водо-геля.

2: однородное покрытие раствора водного геля на базовый материал (например, стекло, силиконовая пластина), образует однородную плёнку из водного геля с помощью спин, капель или спрея.

3. Фиксация: прошивка хорошо обработанной плёнки водо-гелевой плёнки, которая формирует стабильную трёхмерную сеть посредством нагревания, облучения ультрафиолетовым светом или химических соединений.

Изготовление фотонных кристаллов 3D печати

1. Проектирование и моделирование: микроструктурная модель фотонного кристалла с использованием компьютерной поддержки (CAD) программного обеспечения. В соответствии с необходимостью фотонного пространства и структурного цвета, разработаны подходящие циклические структуры и размеры.

2. 3D печать: использование технологии высокой точности 3D печати (например, полимеризации двух фотонов, наноотпечатка и т.д.) позволит создать микроскопическую структуру фотонных кристаллов на поверхности или внутреннем слое водно-гелевой пленки.

3. Переработка: необходимая переработка фотонных кристаллов для печати, таких как агломеция, отжиг и т.д. для повышения структурной стабильности и оптической эффективности.

Характеристика производительности

Высокая чувствительность

Датчики влажности, основанные на структурных цветах, имеют высокую чувствительность. Во время влажного процесса гидрогель существенно изменяется в объёме, что приводит к периодическим изменениям в структуре фотонных кристаллов. Поскольку структурные цвета очень чувствительны к микроскопическим структурным изменениям, сенсоры могут быстро реагировать на микроскопические изменения влажности окружающей среды.

Быстрый ответ

Водо-гель обладает быстрыми свойствами всасывания и снятия влаги, которые позволяют завершить изменение объёма за короткое время. Таким образом, датчики влажности, основанные на пленках водяного геля и фотонных кристаллах, могут быстро реагировать и удовлетворять потребности в мониторинге в реальном времени.

обратимость

Пленка водяного геля обладает хорошей обратимостью в процессе всасывания и удаления влаги, и изменения объёма могут повторяться несколько раз. Структурный цвет фотонного кристалла также может появляться несколько раз в процессе изменения влажности, таким образом гарантируя долгосрочную стабильность и повторное использование сенсоров.

Дешево.

Водо-гель и фотонные кристаллы стоят относительно недорого, а технология изготовления является простой и пригодной для массового производства. Технология 3D печати может эффективно и точно создать фотонную кристаллическую структуру, еще больше снижая стоимость производства.

Прикладная перспектива

Мониторинг окружающей среды

Датчики влажности, основанные на структурных цветах, могут быть широко применены в таких областях, как мониторинг качества воздуха в помещениях, контроль окружающей среды в сельскохозяйственных санях и т.д. Сенсоры могут контролировать влажность окружающей среды в реальном времени и с точностью, обеспечивая надежную поддержку данных.

Здравоохранение.

Датчики влажности имеют важное применение в области здравоохранения, таких как мониторинг влажности в повязках, мониторинг дыхательной влажности и т.д. Датчики влажности, основанные на структурных цветах, обладают высокой чувствительностью и способностью быстро реагировать на изменения влажности в реальном времени, предоставляя своевременные данные о здоровье.

Хранение продовольствия

Контроль влажности в процессе хранения продуктов питания оказывает важное влияние на качество и срок годности продуктов питания. Датчики влажности, основанные на структурных цветах, могут использоваться для мониторинга влажности в среде хранения продуктов питания, с тем чтобы гарантировать, что продукты питания будут храниться в благоприятных условиях влажности и продлевать срок годности.

Умный дом

В разумных домовлажных системах датчики могут использоваться для контроля влажности в таких устройствах, как умные кондиционеры, увлажнители, моющие машины. Датчики влажности, основанные на структурных цветах, могут предоставить точные данные по влажности, которые позволят смарт-контроль окружающей среды.

Направление будущего развития

Многофункциональная интеграция

Будущие датчики влажности могут интегрировать различные функции, такие как температурная, давление, газовая и т.д. для достижения многомерного мониторинга окружающей среды. Мультифункциональная интеграция может еще больше повысить практичность и диапазон применения сенсоров.

Миниатюризация и мягкость

По мере развития микроэлектронных технологий датчик влажности будет двигаться в сторону миниатюризации и смягчения. Миниатюрные сенсоры могут быть применены к более тонким сценариям обнаружения, таким как микроструйные чипы, биомедицинские сенсорные ощущения и т.д. Более гибкие сенсоры могут быть применены в таких областях, как носимое оборудование, гибкая электроника и т.п., обеспечивая более удобные решения по мониторингу влажности.

Рационализация и анализ данных

Будущие датчики влажности объединят сеть объектов и большие технологии обработки данных, реализуя интеллектуальную и аналитическую функцию данных. С помощью беспроводной передачи и облачных вычислений сенсоры могут передавать данные влажности в реальном времени, проводить большой анализ данных и прогнозировать, а также предоставлять более умные решения для мониторинга окружающей среды и контроля.

Дружелюбность окружающей среды и деградация

Материалы и технология подготовки для будущих датчиков влажности будут более ориентированы на экологическую дружелюбность и деградацию. Использование экологических материалов и разрушаемого водного геля может уменьшить влияние сенсоров на окружающую среду и обеспечить устойчивое развитие.

вывод

Датчики влажности, основанные на пленках водяного геля и 3D-принтере фотонных кристаллов, устанавливают высокую чувствительность, быстрое реагирование и низкую влажность по принципам структурного цвета. В этой статье подробно описаны принципы проектирования этого нового вида сенсоров влажности, методы подготовки, характеристики производительности и перспективы применения. В будущем, когда технологии будут прогрессировать, такие датчики влажности, основанные на структурных цветах, будут играть важную роль в мониторинге окружающей среды, здравоохранении, хранении продуктов питания и разумных домах, стимулируя развитие технологий, связанных с влажностью.

PP895 3BSE092981R1