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新型自供电湿度传感器通过优化PVA/LiCl复合电解质层（1:8配比）与铜铝电极（间距1.0mm，厚度0.3mm）实现高稳定性（11-97% RH），输出电压达0.84V，响应时间8秒，恢复时间42秒，兼具线性与重复性优势。
作者：Galang Eryanto、Po-Cheng Yang、Shih-Feng Tseng
台湾国立台北科技大学制造技术研究生院，台北106344
摘要
本文开发了一种新型自供电湿度传感器，该传感器基于原电池结构，采用聚乙烯醇（PVA）与氯化锂（LiCl）混合物作为吸湿性电解质膜，铜箔和铝箔分别作为正极和负极。传感器薄膜通过简单的溶液浇铸方法制备，系统研究了关键参数（包括LiCl:PVA的质量比（优化为1:8）、电极间距（1.0毫米）和薄膜厚度（0.3毫米）以提升性能。其传感机制依赖于水分诱导的水解反应和LiCl离子化，从而促进离子传导并在电极处发生电化学氧化还原反应，无需外部电源即可产生电压。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料进行了表征，证实了LiCl的成功掺入及其在形成非晶态、柔性结构并增强吸湿性方面的作用。优化后的传感器具有11–97%相对湿度（RH）的宽工作范围，在97% RH时可产生高达0.84伏的电压，响应时间极快（8秒），恢复时间适中（42秒），线性良好，重复性高。
引言
工业4.0、物联网（IoT）和5G网络的快速发展推动了智能数字化系统在各个领域的广泛应用，包括工业生产、环境监测、医疗保健、农业和仓储等。湿度传感器在这些应用中不可或缺，能够精确控制湿度水平，以保证产品质量、操作安全和工艺效率。在工业环境中，过多的水分会腐蚀管道或在运输和制造过程中降解化学产品[1]；在电力领域，控制湿度可防止电气故障和安全风险[2]；航空航天应用需要实时湿度数据以确保飞行安全和事故预防[3]；在医疗保健领域，湿度传感器有助于进行无创呼吸监测，早期发现疾病，比传统方法更具便携性和分析速度[4]；在农业和食品储存中，准确的湿度控制可以优化作物生长、减少资源消耗并延长保质期[5][6]。根据转换机制的不同，湿度传感器可分为多种类型，每种类型都有其独特的优势和局限性。电容式湿度传感器是最常见的类型，通过测量电极间因吸湿聚合物层吸水而变化的介电常数来检测湿度。尽管这类传感器具有高灵敏度、低能耗和宽湿度范围内的良好线性，但在极端湿度条件下仍可能出现滞后效应和长期漂移[7][8][9]；电阻式湿度传感器通过检测湿度引起的电阻变化来检测湿度，通常使用陶瓷或聚合物电解质，具有响应速度快、成本低和结构简单等优点，但常表现出非线性、功耗较高且易受污染物影响[10][11][12]；热导率传感器通过测量干燥空气和潮湿空气之间的热导率变化来检测湿度，在高湿度或恶劣环境中表现出较强的稳定性，但功耗较高且低湿度下的精度较低[13]；光学湿度传感器利用水分与光纤或波导相互作用引起的光特性变化来检测湿度，具有优异的抗电磁干扰能力，适用于远程监测，但通常结构更复杂且成本较高[14]；重量式传感器通过检测吸附的水分质量变化来检测湿度，具有超高的灵敏度，但容易受到其他蒸气的干扰，需要复杂的读出电子设备[15]。
最近，新兴的自供电或能量收集型湿度传感器可以直接从水分相互作用中生成电信号，无需外部电源，解决了便携式和可持续应用中对电池依赖的系统的限制。在自供电湿度传感器中，水力发电机（HEGs）取得了显著进展，这类传感器通过离子梯度形成、流动电位或直接电化学反应等方式将环境湿度梯度或吸附的水分转化为电能[16][17]；早期设计利用纳米结构材料在受潮时产生不对称电荷分布，输出功率可达微瓦至毫瓦级别，适用于低功耗电子设备[18][19]；后续研究将潮解盐掺入多孔基质中以增强质子传导和电压生成[20][21][22]；更近期的基于原电池原理的方法采用不同金属电极和吸湿性电解质，通过水解反应产生稳定的开路电压，电压范围为0.5–1.3伏[23][24]；这些电压型自供电传感器无需复杂的纳米结构，结构简单且功率密度较高，但在优化输出稳定性、减少滞后效应和防止长时间高湿度环境下的材料降解方面仍存在挑战。先进的湿度传感器依赖于具有优异吸湿性和离子导电性的材料，其中非离子型聚乙烯醇（PVA）因其生物相容性、无毒性和机械灵活性以及良好的保水性能而被广泛使用[25][26][27]；加入高潮解性电解质（如氯化锂LiCl）可进一步提高吸湿性和离子迁移率，但由于LiCl易于过度水合和水解，对其长期稳定性构成挑战。
因此，PVA和LiCl的协同组合成为一种有前景的、低成本且环境友好的高性能湿度传感平台，特别是在自供电水力设备领域。智能家居、可穿戴电子设备和可持续技术的发展加剧了对无需外部电源的紧凑型、轻量化传感器的需求。传统湿度传感器通常需要电池或电源线，限制了便携性，增加了维护成本，并导致电子废物产生。自供电替代品（尤其是利用水分子与亲水材料之间的电化学反应来获取电能的传感器）提供了一种可再生和环保的解决方案。在本研究中，我们开发了一种基于原电池原理的新型自供电电压型湿度传感器，使用PVA/LiCl复合材料作为吸湿性电解质层，铜箔和铝箔分别作为正极和负极。通过简单的溶液浇铸方法制备的该传感器通过水分驱动的水解反应、LiCl离子化以及随后的电极氧化还原反应，直接产生与环境湿度成正比的可测量开路电压。尽管使用PVA/离子盐复合材料的自供电湿度传感器已取得进展，但许多传感器仍存在恢复速度慢、滞后效应明显、高RH饱和度或添加添加剂后制备复杂等问题。我们的传感器采用优化的1:8 PVA/LiCl复合材料和简单的Cu/Al电极，实现了0.84伏的输出电压、快速响应/恢复时间（8秒/42秒）、最小的波动以及在11–97% RH范围内的优异稳定性，且无需纳米材料或多组分电解质。其创新之处在于通过精确的掺杂控制解决了关键trade-offs问题，提供了一个平衡的、低成本的、可扩展的实际应用平台。
部分内容
聚乙烯醇复合材料的制备
本实验重点制备了用于湿度传感器传感层的混合薄膜。准备了五种不同的聚乙烯醇（PVA）和氯化锂（LiCl）混合物（LiCl具有解离特性），然后将这些混合物倒入容器中形成薄膜。考虑到电极对金属导电性的要求，使用了厚度为0.06毫米的铜箔（Jinhua Electronics Co., Ltd.）和厚度为0.05毫米的铝箔带（Jinhua）
氯化锂-聚乙烯醇薄膜的材料性能分析
使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）系统研究了纯PVA和掺LiCl的PVA薄膜的形态和结构特性。图2(a)中的SEM图像显示，纯PVA和掺LiCl的PVA薄膜表面光滑、均匀且无特征，表明薄膜均匀性良好，即使加入LiCl后也没有发生相分离或聚集。EDS分析进一步证实了成功的掺杂效果
结论
成功开发了一种基于原电池架构的新型自供电湿度传感器，使用掺LiCl的PVA作为吸湿性电解质层，铜箔和铝箔分别作为正极和负极。通过系统优化材料组成（LiCl:PVA比例为1:8）、电极间距（1.0毫米）和传感器薄膜厚度（0.3毫米），该传感器实现了11–97% RH的宽工作范围和高达
CRediT作者贡献声明
Galang Eryanto：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析。Po-Cheng Yang：方法论设计、实验研究、数据分析、数据管理。Shih-Feng Tseng：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、资源获取、项目管理、资金申请、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了台湾国家科学技术委员会（合同编号：NSTC 114–2221-E-027–074-MY2、NSTC 114–2640-E-027–001、NSTC 114–2622-E-027–012）的资助。
Galang Eryanto于2022年从台湾国立台北科技大学制造技术研究生院获得硕士学位，目前正在同一研究所攻读博士学位。他的研究兴趣包括智能传感器、材料科学和半导体技术。
