综述：面向非接触式可穿戴应用的多功能柔性湿度传感器
2022-07-30 09:11:47 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究工作综述了利用各种活性功能材料进行非接触式监测的柔性湿度传感器的最新进展。研究重点分析了基于电阻式、电容式、阻抗式和电压式工作机制的四类湿度传感器。
近十年来，全球对智能类皮肤电子产业和研究的关注，推动了其在人类医疗保健、物联网、人机界面、人工智能（AI）和柔性机器人等多个领域的应用发展。其中，柔性湿度传感器凭借其对湿度变化快速响应的独特特性，在非接触式测量中发挥着至关重要的作用。
据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学机械工程学院杨赓研究员和徐凯臣研究员课题组在Nano-Micro Letters发表了以“Multifunctional Flexible Humidity Sensor Systems Towards Noncontact Wearable Electronics”为主题的研究论文。该研究论文的通讯作者为杨赓研究员和徐凯臣研究员，杨赓研究员主要从事机器人多模态感知、柔性传感、智能人机交互系统等方面的研究工作，徐凯臣研究员主要从事多功能柔性电极和传感器制造、激光微纳制造方面的研究工作。
多功能湿度传感器概况图
这项研究工作综述了利用各种活性功能材料进行非接触式监测的柔性湿度传感器的最新进展。研究重点分析了基于电阻式（resistive）、电容式、阻抗式（impedance-type）和电压式工作机制的四类湿度传感器。此外，该研究还剖析了通过化学掺杂、结构设计以及焦耳加热等典型策略来提高湿度传感器的性能。利用非接触式感知能力，该研究介绍了湿度传感器在人体和植物健康管理、人机交互以及基于湿度传感器的集成反馈系统等方面的应用。这一研究领域的迅速发展和创新将造福人类社会，特别在新冠肺炎疫情期间，为避免交叉感染，非常需要这种非接触式传感。
柔性湿度传感器在低相对湿度（RH）和高相对湿度（RH）时的工作原理
从原理来看，大多数柔性湿度传感器的基本原理可以用Grotthuss链式反应来解释，该反应通常被简化为质子跳跃过程：H₂O + H₃O⁺= H₃O⁺+ H₂O。基于质子跳跃过程，柔性湿度传感器根据各种测量策略可分为电阻式、电容式、阻抗式和电压式。目前也有研究报道了其他在不同类型频率下显示响应的湿度传感器，如石英晶体微天平（QCM）、表面声波（SAW）以及兰姆波型，但这些湿度传感器通常构建于刚性平台。
通常情况下，性能优异的湿度传感器主要取决于活性材料的性能，活性材料是湿度传感器的核心。近年来，碳、金属硫化物、金属氧化物等功能性无机纳米材料凭借其高暴露表面积和亲水性，在柔性湿度传感器的各类活性材料中脱颖而出。此外，功能性高分子柔性湿度传感器因其生物相容性和可生物降解特性而受到广泛的研究关注。
基于碳和金属硫化物的柔性湿度传感器
基于纯金属氧化物和钙钛矿的柔性湿度传感器
基于天然聚合物的柔性湿度传感器
基于合成导电聚合物的柔性湿度传感器
为了将柔性湿度传感器应用于非接触式测量，需要高灵敏度和耐用型器件。然而，由于灵敏度相对较低、探测范围较窄、迟滞明显、循环稳定性较差等因素，其性能仍不足以满足实际应用。因此，这项研究概述了提升湿度传感器性能的几种可行方法：化学掺杂和表面改性技术、结构设计（将活性传感材料或电极改造为多孔结构）、焦耳加热（以实现长时间监测）。
柔性湿度传感器对水分子敏感，因此在非接触式传感方面具有独特优势。与大多数基于直接接触式传感来跟踪压力、温度、应变等的柔性传感器不同，非接触式传感可以扩展其在遥感或有毒环境中的应用。这项研究综述了湿度传感器在人体健康监测、智能人机交互、植物健康状态探测以及反馈系统集成等方面的应用。
基于湿度传感器的人体健康监测
非接触式人机界面
植物健康管理
具有反馈功能的多模态湿度传感器系统
虽然柔性湿度传感器已经取得了重大成果，但实现实际应用还需要考虑以下几个关键因素：（1）目前所提出的大多数柔性湿度传感器难以实现长时间工作，尤其在湿度较高（>90%）的环境中，这是由于器件上的水分子难以解吸。（2）许多研究团队都致力于提高由水分驱动的功率输出强度的研究。（3）大多数柔性湿度传感器依赖于基于溶液的制作方法，因此这些方法相对难以实现批量的可重复性和稳定性。（4）需要从多模态集成传感器系统的角度考虑信号交叉耦合效应。
这项研究工作获得国家科技创新2030重大项目（2022ZD0208601）、国家自然科学基金（52105593，51975513）和浙江省自然科学基金（No. LR20E050003）的支持。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-022-00895-5
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