综述：柔性湿度传感器及其应用
2025-11-29 10:59:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

湿度作为表征大气中水蒸气含量的关键参数，在气象学和环境科学等多个领域发挥着举足轻重的作用。湿度传感器作为湿度测量的重要工具，持续推动着健康监测、农业生产和环境质量控制等领域的发展。早期的刚性湿度传感器主要采用聚合物或陶瓷作为湿敏材料，通过电阻或电容的变化来检测湿度。尽管这些器件制造简单，但存在体积庞大、灵敏度低、抗干扰能力差以及智能化不足等固有局限，阻碍了其小型化集成、精确环境传感和智能人机交互（HMI），进而限制了其更广泛的应用。随着半导体技术和微电子学的快速发展，具有轻质、可弯曲和可拉伸特性的柔性湿度传感器已成为研究热点。这种新型传感器克服了传统刚性器件的结构限制，能够与人体皮肤或不规则物体表面实现共形接触。这些独特优势在医疗健康、智慧农业、智能家居以及人机交互等新兴领域展现出变革性潜力。

据麦姆斯咨询介绍，中国科学院微电子研究所毛海央研究团队近期在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了一篇题为“Flexible humidity sensors for diverse applications”的综述性文章。该研究成果系统性阐述了柔性湿度传感器及其应用。首先，概述了柔性湿度传感器研究的发展轨迹，重点介绍了材料科学和器件工程领域的关键里程碑；然后，探讨了新兴的湿敏材料对器件关键性能指标的变革性影响。文章系统分析了对柔性传感器至关重要的制造技术，以阐明它们对器件性能的影响。通过跨学科的应用案例，该研究考察了柔性湿度传感器在健康监测、智慧农业、智能家居以及人机交互应用领域的最新进展。

基于多种敏感材料和制造工艺的柔性湿度传感器及其丰富应用

柔性湿度传感器的工作机制

柔性湿度传感器的核心工作机制在于敏感材料与水分子之间的特定相互作用，这种相互作用将环境湿度变化转化为可量化的物理信号。目前，柔性湿度传感器的主要类型包括电阻式、电容式和阻抗式。尽管它们有着相同的基本工作原理，但每种类型都具有独特的特性。

除上述常见的传感器类型外，该研究论文还介绍了其它在不同频率范围响应的湿度传感器，例如石英晶体微天平（QCM）湿度传感器、声表面波（SAW）湿度传感器。

以合成聚合物为湿敏材料的柔性湿度传感器

湿敏材料

柔性湿度传感器的性能创新与突破主要由湿敏材料的筛选和结构调控推动。这些材料通过对环境湿度变化的高灵敏感知和精确响应，能够将湿度信号高效转换为可量化的电信号（例如电阻、电容、阻抗），直接决定了传感器在实际应用中的性能和价值。

近些年，为了提升关键性能指标（例如灵敏度、稳定性、响应/恢复时间），研究人员开发了一系列湿敏材料，主要包括聚合物、金属氧化物、碳基材料和二维材料。每一类材料都利用其独特的吸湿机制和优势，适用于不同的检测环境和应用需求。它们独特的亲水性、纳米结构和表面化学性质共同推动了柔性湿度传感技术的不断进步。

以纤维素及其衍生物作为湿敏材料的柔性湿度传感器

以金属氧化物（MOx）为湿敏材料的柔性湿度传感器

使用碳量子点作为湿敏材料的柔性湿度传感器

柔性湿度传感器的制造技术

制造工艺对柔性湿度传感器的产业化至关重要。该综述讨论了三种主要制造技术及其优势：（1）丝网印刷：成本低、兼容性高且具备大面积图案化能力，适用于卷对卷连续生产，可突破规模化瓶颈；（2）喷涂技术：便于实现大面积、均匀的薄膜沉积，能提高敏感层内的吸附效率，可在曲面实现共形覆盖，并支持生物相容性器件的制造；（3）沉积技术：能够精确控制关键参数（温度、压力、前驱体浓度），从而有针对性地调节敏感材料的电子结构（如带隙）、几何形态（如孔隙率）以及界面特性（如表面能）。这种精确性为柔性湿度传感器向更高稳定性和多功能集成方向发展奠定了基础。

采用丝网印刷技术制造的柔性湿度传感器

通过喷涂技术制造的柔性湿度传感器

通过沉积技术制造的柔性湿度传感器

柔性湿度传感器的应用

作为一种能够将环境或生物湿度变化精确转换为可量化电信号的关键传感元件，柔性湿度传感器在医疗健康、精准农业、智能家居和人机交互领域的应用正日益广泛。它们所具备的独特属性，例如轻便、可弯曲、可拉伸和可穿戴，是其得以广泛应用的核心优势。更高性能的敏感材料、可生物降解/自修复聚合物等材料科学以及微纳制造技术的不断突破，有望进一步提升其灵敏度、稳定性、响应速度和环境耐受性。这些进步将极大地加速柔性湿度传感器向更智能、更互联的未来过渡，最终在更广泛的领域改善人类生活。

柔性湿度传感器在医疗健康领域的应用

柔性湿度传感器的技术发展正在迅速演进。其发展轨迹已从分立器件到集成柔性系统，从单参数监测到多模态智能分析，并始终与“更高精度、更高灵活性和更强智能”的需求相契合。展望未来，机器学习算法与柔性电子制造的深度融合具有巨大潜力。这种协同作用有望使柔性湿度传感器突破物理形态和应用场景的传统限制，成为构建“智能传感”世界的核心传感单元之一。这些进展将推动柔性湿度传感器在医疗健康、精准农业、工业物联网等领域的进一步创新应用。当然，要实现这一愿景，需要持续投入基础研究，更重要的是，需要跨学科团队的协同创新和不懈努力。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01086-z

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