专利摘要

本发明涉及一种湿气发电机及其制备方法。该湿气发电机包括依次设置的基底、第一电极、纳米线层和第二电极，其中，所述纳米线层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，其是由随机分布的纳米线组成。本发明还提供了上述湿气发电机的制备方法。本发明所提供的湿气发电机采用纳米线形成的网络结构，该结构具有良好的亲水性，并且其中所含有的大量纳米空隙对湿气扩散十分有利，能够使湿气发电机具有较高的功率输出密度。当湿气发电机的基底采用柔性材料制成时，配合具有良好柔性的纳米线层网络结构，可以使湿气发电机具有良好的机械柔性，可以贴在人体皮肤表面，实时监测人体呼吸状态、或作为可穿戴的触摸电子屏。

权利要求

1.一种湿气发电机，其包括依次设置的基底、第一电极、纳米线层和第二电极，其中，所述纳米线层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，其是由随机分布的纳米线组成，所述纳米线相互交叉形成纳米线网络结构；所述湿气也称为水汽；

其中，所述纳米线的材料具有正的Zeta电位或负的Zeta电位；

在使用时，所述纳米线网络结构暴露在有湿气的环境中，湿气在纳米线层中扩散，在第一电极和第二电极之间产生电势差，在第一电极与第二电极之间形成电荷流动，产生电流。

2.根据权利要求1所述的湿气发电机，其中，所述随机分布是指在整个纳米线层内，纳米线以无规律的形式分布。

3.根据权利要求2所述的湿气发电机，其中，在所述纳米线网络结构中，纳米线相互交叉形成的孔的孔径小于200纳米。

4.根据权利要求1所述的湿气发电机，其中，所述纳米线的材料为电阻率大于100欧姆·米的材料。

5.根据权利要求1-4任一项所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层为亲水性的。

6.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层与水的接触角θ≤60°。

7.根据权利要求1-4、6任一项所述的湿气发电机，其中，所述纳米线为氧化钛纳米线和/或氧化锌纳米线。

8.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述纳米线为氧化钛纳米线和/或氧化锌纳米线。

9.根据权利要求1-4、6、8任一项所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为1-100微米。

10.根据权利要求9所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为5-20微米。

11.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为1-100微米。

12.根据权利要求11所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为5-20微米。

13.根据权利要求7所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为1-100微米。

14.根据权利要求13所述的湿气发电机，其中，所述纳米线层的厚度为5-20微米。

15.根据权利要求1-4、6、8、10-14任一项所述的湿气发电机，其中，所述纳米线的直径为70-300纳米。

16.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述纳米线的直径为70-300纳米。

17.根据权利要求7所述的湿气发电机，其中，所述纳米线的直径为70-300纳米。

18.根据权利要求9所述的湿气发电机，其中，所述纳米线的直径为70-300纳米。

19.根据权利要求1-4、6、8、10-14、16-18任一项所述的湿气发电机，其中，所述基底为层状或薄膜状；

所述第一电极和所述第二电极均为层状或薄膜状。

20.根据权利要求19所述的湿气发电机，其中，所述基底的厚度为10-5000微米。

21.根据权利要求19所述的湿气发电机，其中，所述第一电极和所述第二电极的厚度分别为0.05-100微米。

22.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述基底为层状或薄膜状；

所述第一电极和所述第二电极均为层状或薄膜状。

23.根据权利要求22所述的湿气发电机，其中，所述基底的厚度为10-5000微米。

24.根据权利要求22所述的湿气发电机，其中，所述第一电极和所述第二电极的厚度分别为0.05-100微米。

25.根据权利要求7所述的湿气发电机，其中，所述基底为层状或薄膜状；

所述第一电极和所述第二电极均为层状或薄膜状。

26.根据权利要求25所述的湿气发电机，其中，所述基底的厚度为10-5000微米。

27.根据权利要求25所述的湿气发电机，其中，所述第一电极和所述第二电极的厚度分别为0.05-100微米。

28.根据权利要求9所述的湿气发电机，其中，所述基底为层状或薄膜状；

所述第一电极和所述第二电极均为层状或薄膜状。

29.根据权利要求28所述的湿气发电机，其中，所述基底的厚度为10-5000微米。

30.根据权利要求28所述的湿气发电机，其中，所述第一电极和所述第二电极的厚度分别为0.05-100微米。

31.根据权利要求15所述的湿气发电机，其中，所述基底为层状或薄膜状；

所述第一电极和所述第二电极均为层状或薄膜状。

32.根据权利要求31所述的湿气发电机，其中，所述基底的厚度为10-5000微米。

33.根据权利要求31所述的湿气发电机，其中，所述第一电极和所述第二电极的厚度分别为0.05-100微米。

34.根据权利要求1所述的湿气发电机，其中，所述基底的材料为纯金属、合金、高分子材料或无机材料。

35.根据权利要求34所述的湿气发电机，其中，所述纯金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡；

所述合金的材料选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和锡中的至少两种；

所述高分子材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二氟二氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种；

所述无机材料为陶瓷或玻璃。

36.根据权利要求35所述的湿气发电机，其中，所述陶瓷选自氧化硼、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化镓、氮化硼、氮化钛、碳化硼、碳化硅、碳化钛和硼化钛中的至少一种。

37.根据权利要求19所述的湿气发电机，其中，所述基底的材料为纯金属、合金、高分子材料或无机材料。

38.根据权利要求37所述的湿气发电机，其中，所述纯金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡；

所述合金的材料选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和锡中的至少两种；

所述高分子材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二氟二氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种；

所述无机材料为陶瓷或玻璃。

39.根据权利要求38所述的湿气发电机，其中，所述陶瓷选自氧化硼、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化镓、氮化硼、氮化钛、碳化硼、碳化硅、碳化钛和硼化钛中的至少一种。

40.根据权利要求20-33任一项所述的湿气发电机，其中，所述基底的材料为纯金属、合金、高分子材料或无机材料。

41.根据权利要求40所述的湿气发电机，其中，所述纯金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡；

所述合金的材料选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和锡中的至少两种；

所述高分子材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二氟二氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种；

所述无机材料为陶瓷或玻璃。

42.根据权利要求41所述的湿气发电机，其中，所述陶瓷选自氧化硼、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化镓、氮化硼、氮化钛、碳化硼、碳化硅、碳化钛和硼化钛中的至少一种。

43.根据权利要求1所述的湿气发电机，其中，所述基底为柔性材料基底。

44.根据权利要求43所述的湿气发电机，其中，所述柔性材料基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯或聚偏二氯乙烯。

45.根据权利要求34所述的湿气发电机，其中，所述基底为柔性材料基底。

46.根据权利要求45所述的湿气发电机，其中，所述柔性材料基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯或聚偏二氯乙烯。

47.根据权利要求35-39、41-42任一项所述的湿气发电机，其中，所述基底为柔性材料基底。

48.根据权利要求47所述的湿气发电机，其中，所述柔性材料基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯或聚偏二氯乙烯。

49.根据权利要求40所述的湿气发电机，其中，所述基底为柔性材料基底。

50.根据权利要求49所述的湿气发电机，其中，所述柔性材料基底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯或聚偏二氯乙烯。

51.根据权利要求1-4、6、8、10-14、16-18、20-39、41-46、48-50任一项所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

52.根据权利要求5所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

53.根据权利要求7所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

54.根据权利要求9所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

55.根据权利要求15所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

56.根据权利要求19所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

57.根据权利要求40所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

58.根据权利要求47所述的湿气发电机，其中，所述第一电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜；

所述第二电极包括铟锡金属氧化物薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。

59.根据权利要求1-58任一项所述的湿气发电机的制备方法，其包括以下步骤：

在基底上形成第一电极；

在第一电极的表面形成纳米线层；

在纳米线层的表面形成第二电极。

60.根据权利要求59所述的制备方法，其中，所述纳米线层通过电泳沉积法、液滴涂布法或旋涂法形成。

61.根据权利要求60所述的制备方法，其中，采用电泳沉积法形成纳米线层时按照以下步骤进行：

将纳米线分散于溶剂中，得到纳米线溶胶；

将形成了第一电极的基底置于溶胶中，插入另一导电基板，使基底带有第一电极的一侧与导电基板相对；

在基底与导电基板之间施加电压，使纳米线沉积到第一电极的表面，然后取出，经过烘干，形成纳米线层。

62.一种呼吸传感器，其包括权利要求1-58任一项所述的湿气发电机。

63.根据权利要求62所述的呼吸传感器，其中，所述湿气发电机设置在人的鼻腔或口腔附近。

64.一种手指触摸传感器，其包括权利要求1-58任一项所述的湿气发电机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿气发电机及其制备方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

近年来，随着能源危机和环境问题的逐渐加剧，清洁、可再生能源器件的研究和应用得到全球的关注。其中，太阳能、热能、机械振动能、风能、声波能、生物能源等陆续被用来发电，在自供电系统和可穿戴领域有广泛的应用前景。

然而，上述能源形式在应用上仍然有较多限制，例如太阳能发电装置在无光照时无法工作；机械振动在被用来发电的同时也可能降低系统的可靠性，风能发电装置在无风条件下无法工作。

最近，湿气作为自然界和生物过程中广泛存在的资源正被用来发电，扩展了自然界中可用来发电的资源。然而，现有的湿气发电方法输出功率密度较低，对于器件的机械柔性报道较少，而且湿气发电在自供电、可穿戴领域的报道较少鲜有报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种湿气发电机，该湿气发电机基于纳米线，具有较高的功率输出密度，具有良好的自发电功能。

为达到上述目的，本发明提供了一种湿气发电机，其包括依次设置的基底、第一电极、纳米线层和第二电极，其中，所述纳米线层设置在所述第一电极和所述第二电极之间，其是由随机分布的纳米线组成。

在本发明的湿气发电机中，第一电极、纳米线层和第二电极形成夹层发电结构，第一电极与第二电极作为发电结构的电压和电流的输出电极；在使用时，该结构暴露在有湿气的环境中，湿气在纳米线层中扩散，在第一电极和第二电极之间产生电势差，在第一电极与第二电极之间形成电荷流动，产生电流。上述湿气也可以称为水汽，其可以来自于环境空气、人体的呼吸、人体手指、动物的呼吸、挥发性液体等。

在本发明的一个具体实施方案中，随机分布是指在整个纳米线层内，纳米线以无规律的形式分布。当纳米线层以纳米线随机分布的方式存在时，纳米线可以相互交叉形成纳米线网络结构，例如图2和图3所示，纳米线相互之间会形成较多(相对于竖直排列的方式)的孔洞(或称空隙)，这样有助于湿气在纳米线层中的扩散，并且可以获得相对于竖直排列方式更高的功率输出密度。优选地，在上述纳米线网络结构中，纳米线相互交叉形成的孔的孔径小于200纳米，优选大部分小于100纳米。这种随机分布的方式优选是采用电泳沉积的方法形成的。

在本发明的湿气发电机中，优选地，纳米线的材料具有正的Zeta电位或负的Zeta电位。

在本发明的湿气发电机中，优选地，所述纳米线的材料为电阻率大于100欧姆·米的材料，可以避免第一电极与第二电极短路。

在本发明的湿气发电机中，优选地，所述纳米线层为亲水性的。更优选地，所述纳米线层与水的接触角(或称润湿角)θ≤60°。纳米线层具有良好的亲水性，能够促进湿气等在纳米线层中的扩散，进而提高功率输出密度。

在本发明的湿气发电机中，纳米线层的厚度可以控制为1-100微米，优选为5-20微米。纳米线层的厚度与电压的关系如图13所示。

在本发明的湿气发电机中，所采用的纳米线可以为氧化钛纳米线和/或氧化锌纳米线。纳米线的直径优选为70-300纳米。

在本发明的湿气发电机中，基底、第一电极、第二电极均可以为层状或薄膜状。基底的厚度可以控制为10-5000微米。第一电极和第二电极的厚度分别可以为0.05-100微米。

在本发明的湿气发电机中，基底可以采用常见的基底材料，例如纯金属、合金、高分子材料或无机材料。其中，适于基底的纯金属可以为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或锡等；适于基底的合金的材料可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和锡中的至少两种；适于高分子材料可以选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二氟二氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物等中的一种；适于基底的无机材料可以为陶瓷或玻璃，其中，陶瓷优选选自氧化硼、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅、氮化铝、氮化镓、氮化硼、氮化钛、碳化硼、碳化硅、碳化钛和硼化钛中的至少一种。

现有的柔性电路板等柔性器件的柔性仅是采用柔性基板，并未考虑器件整体的柔性，这些器件在经历了多次弯折之后，其相关性能会产生一定的下降，而现有的湿气发电机对于柔性则基本没有关注。本发明的湿气发电机可以采用柔性材料基底，并配合纳米线层(纳米线层本身也具有良好的柔性)等结构，使湿气发电机具有整体柔性，在经过了一万次的机械弯折之后，其输出电压等性能并未出现明显下降。上述柔性材料基底的材质可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅烷、聚苯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯等。

在本发明的湿气发电机中，第一电极与第二电极是作为发电结构的电压和电流的输出电极，任何常规的电极材料均可以使用，第一电极和第二电极可以为层状或薄膜状，例如：第一电极和第二电极包括铟锡金属氧化物(ITO)薄膜、石墨烯薄膜、银纳米线膜涂层，或者，金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金的一种所形成的层或薄膜。并且，第一电极与第二电极的材质可以相同，也可以不同。

本发明还提供了上述湿气发电机的制备方法，其包括以下步骤：

在基底上形成第一电极；

在第一电极的表面形成纳米线层；

在纳米线层的表面形成第二电极。

在制备本发明的湿气发电机时，第一电极和第二电极可以采用脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、离子镀、真空蒸镀、化学气相沉积、电镀、化学湿法和模板法中的任何一种方法沉积制备得到。纳米线层可以通过电泳沉积法、液滴涂布法(Drop-casting)或旋涂法形成。相比于液滴涂布法和旋涂法，当采用电泳沉积法时，所制备的纳米线层能够更加均匀、更加致密，能够避免第一电极和第二电极之间出现短路的情况，而且，在制备过程中也具有更高的效率。

在上述制备方法中，优选地，采用电泳沉积法形成纳米线层时按照以下步骤进行：

将纳米线分散于溶剂中，得到纳米线溶胶；

将形成了第一电极的基底置于溶胶中，插入另一导电基板，使基底带有第一电极的一侧与导电基板相对；

在基底与导电基板之间施加电压，使纳米线沉积到第一电极的表面，然后取出，经过烘干，形成纳米线层。

本发明还提供了一种呼吸传感器，其包括上述湿气发电机。该湿气发电机设置在人的鼻腔或口腔附近，用于实时监测人体的呼吸频率。湿气发电机输出电压跟呼吸频率和呼吸强度有关，并且输出电压可以用来表征人体呼吸频率，其具体工作原理是：人体在呼吸过程中呼出的气体有较高的湿度，当呼出的气体与湿气发电机中的纳米线层接触时，湿气中的离子在纳米线形成的通道(即孔、空隙)中扩散，从而使离子在通道中择优流动，从而在第一电极和第二电极之间形成电势差。当人体吸气时，纳米线通道中的湿气蒸发分离，第一电极和第二电极之间电压会随之而下降。当人体周期性呼吸时，湿气发电机的第一电极和第二电极之间可以产生相应的周期性电信号。通过分析电信号的频率和大小可以得到关于人体呼吸频率和呼吸深度等信息。同时，考虑到本发明的湿气发电机具有很好的形状自适应性，并且产生的电压可直接用来分析人体的呼吸状况，而不需要额外的电路驱动，这种自驱动的可穿戴生物呼吸检测在未来的医疗监护和睡眠质量检测等方面会有重要的应用前景。

在用于呼吸传感器时，湿气发电机的基底材料优选采用对人体(或者动物体)无毒、与皮肤有较好粘接性、有一定形状自适应性的材料，特别是与人体面部直接接触的基底材料优选满足上述条件，例如聚甲基硅氧烷薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

本发明还提供了一种手指触摸传感器，其包括上述湿气发电机。当用于手指触摸传感器时，湿气发电机可以检测人体手指的触摸。湿气发电机的输出电压与手指的按压频率和按压压力有关，发电机输出的电信号可用来表征手指的按压与否。具体工作原理是：当人体按压湿气发电机时，手指皮肤的湿气扩散到发电机，当湿气与纳米线层接触时，湿气中的离子在纳米线形成的通道中扩散，从而使离子在通道中择优流动，从而在第一电极和第二电极之间形成电势差。当人体手指离开湿气发电机时，纳米线通道中的湿气蒸发分离，第一电极和第二电极之间的电压随之而下降。通过分析电信号的频率和大小可以得到关于人体手指的按压状况。同时考虑到本发明的湿气发电产生的电压可直接用来检测人体手指的按压，而不需要额外的电路驱动，这种自驱动的人体手指触摸传感器可在触摸板方面有较大的应用前景。

本发明所提供的湿气发电机采用纳米线形成的网络结构，该结构具有良好的亲水性，并且其中所含有的大量纳米空隙对湿气扩散十分有利，能够使湿气发电机具有较高的功率输出密度。另外，本发明的湿气发电机由第一电极、纳米线层、第二电极的三维堆叠结构组成，器件结构紧凑，易于制备，成本较低，有易于大批量加工制造。当湿气发电机的基底采用柔性材料制成时，配合具有良好柔性的纳米线层网络结构，可以使湿气发电机具有良好的机械柔性，可以作为传感器贴在人体皮肤表面，实时监测人体呼吸状态、或作为可穿戴的触摸电子屏；由于传感器本身即可输出与湿度相关的电压，该本征电压即可表征呼吸或者触摸状态，从而传感器工作时不需要额外的电路来驱动，尤其适用于自供电系统中。

附图说明

图1为实施例1提供的湿气发电机的结构示意图。

图2为二氧化钛纳米线网络结构的扫描电镜图。

图3为二氧化钛纳米线网络结构的截面图。

图4为水滴在二氧化钛纳米线网络结构上的润湿角测试结果图。

图5为实施例1的湿气发电机在湿气环境中的电压和电流输出结果图。

图6为实施例1的湿气发电机的机械弯折过程示意图。

图7为实施例1的湿气发电机在机械弯折后的电压输出结果图。

图8为实施例2的湿气发电机在湿气环境中的电压输出。

图9为对比例采用水热法合成的竖直生长的二氧化钛纳米线阵列截面图。

图10为水在竖直生长的二氧化钛纳米线阵列上的润湿角。

图11为呼吸监测传感器在人体呼吸过程中的电压输出结果图。

图12为手指按压传感器在人体手指按压过程中的电压输出结果图。

图13为纳米线层的厚度与电压的关系曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种湿气发电机，其结构如图1所示。该湿气发电机包括基底1、第一电极2、纳米线层3、第二电极4，其中：

基底为柔性基底，材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其尺寸为1厘米×1厘米，厚度为50微米；

第一电极为层状，其为氧化铟锡薄膜，厚度为300纳米；

纳米线层的材质为二氧化钛纳米线，其直径分布在70-300纳米，纳米线层的厚度为10微米；纳米线相互交叉形成二氧化钛纳米线网络结构；二氧化钛纳米线的形貌和涂层的截面分别如图2和图3所示；二氧化钛纳米线网络结构的亲水性好，与水的润湿角为13度，如图4所示；

第二电极为层状，其材质为铝，厚度为100纳米。

该湿气发电机是按照以下步骤制备的：

采用磁控溅射法在基底上形成第一电极；

采用电泳沉积法在第一电极的表面形成纳米线层；

采用电子束蒸发法在纳米线层的表面形成第二电极；

纳米线层通过以下具体步骤形成：

(1)将0.5克二氧化钛纳米线分散于有机溶剂中(250毫升酒精、4毫升丙酮和2毫升水组成的混合溶液)，并充分搅拌直至完全分散，形成二氧化钛纳米线溶胶。

(2)将形成有第一电极的基板置于溶胶中，取厚度为100微米的钛基板平行放置距基板5毫米的地方，并在基板和钛板之间施加30伏特的恒定电压，沉积1分钟后取出基板。

(3)将基板置于100℃的加热炉中放置12小时烘干，即可得到二氧化钛纳米线层，形成纳米线网络结构。

对实施例1所得到的基于二氧化钛纳米线结构的湿气发电机进行实际测试，具体按照以下步骤进行：

将湿气发电机置于一湿度可控的腔体中，当腔体中的相对湿度由10％上升到95％的时候，湿气发电机输出电压可在短时内达到约0.5伏特；当腔体中相对湿度降为10％时，湿气发电机输出电压约为0伏特；当腔体中相对湿度再次上升到95％时，湿气发电机输出电压再次达到约0.5伏特，如图5中的a图所示。

对湿气发电机的短路电流进行测试：当腔体中的相对湿度由10％上升到95％的时候，湿气发电机短路电流可在短时内达到约8微安。当腔体中相对湿度降为10％时，湿气发电机输出电压约为0微安，如图5中的b图所示。

通过计算可以得出：本实施例的湿气发电机的输出功率密度为4μW/cm-2。

对该湿气发电机的耐弯折性能进行测试，具体方式如图6所示，弯折半径为6毫米。在超过1万次机械弯折过程中，该湿气发电机的电压输出如图7所示，并未出现明显降低，说明基于二氧化钛纳米线网络结构的湿气发电机的机械柔性较好。

实施例2

本实施例提供了一种湿气发电机，其结构如图1所示。该湿气发电机包括基底1、第一电极2、纳米线层3、第二电极4，其中：

基底为厚度为1毫米的玻璃，其尺寸为1厘米×1厘米；

第一电极为层状，其为掺氟氧化锡，厚度为300纳米；

纳米线层的材质为二氧化钛纳米线，其直径分布在70-300纳米，纳米线层的厚度为10微米；

第二电极为层状，其材质为铝，厚度为100纳米。

该湿气发电机是按照以下步骤制备的：

采用磁控溅射法在基底上形成第一电极；

采用电泳沉积法在第一电极的表面形成纳米线层，具体工艺如下

(1)将0.5克二氧化钛纳米线分散于有机溶剂中(250毫升酒精、4毫升丙酮和2毫升水组成的混合溶液)，并充分搅拌直至完全分散，形成二氧化钛纳米线溶胶；

(2)将基板极置于溶胶中，取厚度为100微米的钛基板平行放置距基板5毫米的地方，并在基板和钛板之间施加30伏特的恒定电压，沉积1分钟后取出基板；

(3)将基板置于100℃的加热炉中放置12小时烘干，即可得到二氧化钛纳米线层，形成纳米线网络结构；

采用电子束蒸发法在纳米线层的表面形成厚度为100纳米的第二电极。

对实施例2所得到的基于二氧化钛纳米线结构的湿气发电机进行实际测试，具体按照实施例1进行：

将湿气发电机置于一湿度可控的腔体中，当腔体中的相对湿度由10％上升到95％的时候，湿气发电机输出电压可在短时内达到约0.5伏特；当腔体中相对湿度降为10％时，湿气发电机输出电压约为0伏特；当腔体中相对湿度再次上升到95％时，湿气发电机输出电压再次达到约0.5伏特，如图8所示。

对比例

将实施例2中的电泳沉积二氧化钛纳米线换成水热法生长纳米线，得到垂直于基板的二氧化钛纳米线阵列，其截面如图9所示。图9显示是纳米线竖直生长的情况，并且纳米线密度高，水在竖直纳米线阵列上的润湿角为80度，如图10所示，由此可以说明二氧化钛纳米线竖直排列的阵列的亲水性比电泳沉积的纳米线网络结构要差。

采用电子束蒸发法在纳米线层的表面形成厚度为100纳米的第二电极。

对本对比例所得到的基于二氧化钛纳米线结构的湿气发电机进行实际测试，具体按照实施例1进行：

将湿气发电机置于一湿度可控的腔体中，当腔体中的相对湿度由10％上升到95％的时候，湿气发电机输出电压可在短时内达到约0.015伏特；当腔体中相对湿度降为10％时，湿气发电机输出电压约为0伏特。与采用二氧化钛纳米线网络结构的湿气发电机相比，采用二氧化钛纳米线竖直排列的阵列的湿气发电机在相同湿气环境中，输出电压只有采用二氧化钛纳米线网络结构的湿气发电机的3％。

实施例3

实施例1的湿气发电机可以贴在人体鼻腔或口腔附近，用于实时监测人体的呼吸频率。湿气发电机输出电压跟呼吸频率和呼吸强度有关，并且输出电压可用来表征人体呼吸频率。

将实施例1中的湿气发电机作为传感器贴在距离鼻腔8毫米的地方，传感器两端的电压输出随着健康人体呼吸过程中的变化如图11所示。由此可以看出，传感器输出的电压脉冲信号频率跟人体呼吸频率一致，电压脉冲之可以清晰分开。该传感器自身产生的电压信号即可用来表征呼吸状况，不需要外部电源供电。

实施例4

实施例1的可变形湿气发电机可以检测人体手指的触摸。湿气发电机输出电压跟按压频率和按压压力有关，发电机输出的电信号可用来表征手指的按压与否。将湿气发电机贴在人体皮肤表面，并用铜导线引出电极，在手指按压纳米线网络结构过程中实时测量器件两端的电压。手指每隔1.5秒左右按压一次发电机，按压压力约为4千帕斯卡，器件两端可以测量到幅值约为150毫伏特的电压脉冲信号，如图12所示。相邻的电压脉冲没有出现重叠，各脉冲可以清楚地分辨出来，说明该传感器的响应速度较快。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡不脱离本发明技术方案范围和原则之内做出任何的修饰、变动、修改或改进等变化，均应在本发明的保护范围内。

一种湿气发电机及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。