西安交大研发基于中国宣纸的湿度传感器
2026-02-01 21:44:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西安交通大学林启敬科研团队首次创新性地将中国宣纸作为湿度敏感材料，其在宽湿度范围内展现出最优异的灵敏度。
对湿度测量与调控的长期需求，持续推动着湿度传感器的发展，其应用场景已逐步拓展至人体状态监测、可穿戴电子设备及人机界面等领域，这要求湿度敏感材料不断创新以满足新兴需求。在众多湿度敏感材料中，基于纤维素的湿度敏感材料凭借其独特性能引起了广泛关注。
在天然纤维素来源中，纸张因其易获取、低成本以及轻薄的结构脱颖而出，成为极具吸引力的湿度传感器基底材料。然而，现有传感器要么需要通过复杂的化学处理来提升湿度敏感性能，要么受限于纸张本身固有的低导电性，导致信号微弱，需要借助专用电路进行数据采集。此外，大多数研究集中于传统印刷用纸，尚未充分探索替代性纸张基底的潜力。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学林启敬科研团队首次创新性地将中国宣纸作为湿度敏感材料，其在宽湿度范围内展现出最优异的灵敏度。仅使用宣纸、氯化钠（NaCl）水溶液和导电碳墨，通过简单的三步工艺成功制备出厚度低于0.09 mm、质量小于0.012 g的湿度传感器。表征结果显示，NaCl晶体与稀疏的纤维素纤维结合，既能促进水分吸收，又形成了电化学传感体系。该研究试图解决湿度传感器中长期存在的高性能与复杂制备工艺之间的权衡难题，同时揭示了中国宣纸作为功能材料的潜力。相关研究成果以“Repurposing traditional China Xuan paper for versatile humidity sensing”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
论文摘要附图
如下图所示，所开发的湿度传感器由八个多通道传感器阵列构成于宣纸基底之上。得益于宣纸基底固有的轻质特性及简洁的整体传感器设计，该湿度传感器厚度小于0.09 mm，质量低于0.012 g。传感器制备流程只涉及三个简单的步骤：浸泡、干燥和丝网印刷，并且仅需三种材料：宣纸、饱和NaCl溶液和导电碳墨。
NaCl改性宣纸基湿度传感器的设计、制备、表征和生物降解过程
为表征湿度传感器的电化学特性并深入探究其工作机制，研究人员进行了电化学阻抗谱（EIS）与动力学同位素效应（KIE）实验。结果表明，在相对湿度11%-97%的范围内，主要的传导机制从质子跳跃转变为离子传导。该传感机制使传感器输出信号在测量区间内增幅达2.65×10⁴倍，展现出高灵敏度与宽动态范围的湿度检测性能。
NaCl改性宣纸湿度传感器的湿度依赖阻抗响应和微观传导机制
为评估传感器的湿度传感性能，研究人员进行了一系列静态、动态和长期稳定性测试，并对相应的数据进行了分析。总体而言，该湿度传感器表现出高灵敏度、优异的静态和动态性能，且信号处理要求简单，这些特点共同支撑了其广泛的应用潜力。
NaCl改性宣纸湿度传感器的湿度传感性能、重复性和长期稳定性
为实现湿度数据的读取与无线传输，本研究基于微控制器（Arduino）开发了一种柔性的八通道读出电路。该读出电路及其配套智能手机应用程序共同推动了湿度传感器的实际测试，验证了其在环境湿度监测、基于湿度的触摸传感、排尿监测及运动状态检测等多场景的应用能力。
NaCl改性宣纸湿度传感器在可穿戴界面、机器人控制和生理监测中的系统集成和多功能应用
据研究人员所知，本研究是首次将宣纸作为传感功能材料进行再利用，并由此开发出一种高性能、多用途的湿度传感器。该传感器仅采用市售材料通过简单的三步工艺制成，在11%-97%相对湿度的宽范围内实现了高达2.65×10⁴倍的输出变化。本实验中传感器均使用同一厂家、同一批次的宣纸制备，以最大程度降低材料差异对传感器性能的影响。器件间的相对标准偏差小于3.2%，这与近期报道的高性能纤维素基湿度传感器性能相当。未来仍需进一步深入研究以更好地理解其传感机制，并探索宣纸在其他传感领域更广泛的应用潜力。
出于对中国传统文化的深厚热爱，这项工作首次实现了宣纸的功能化再利用。虽然本研究结果证明了其在湿度传感领域的可行性，但将宣纸与其它功能性添加剂结合，或拓展其在更多环境参量检测方面的应用，仍是未来研究的重要方向。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-01108-w
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