NML综述:柔性湿度传感器及其集成系统研究进展、机遇和挑战

在过去的十年中,各种类皮肤的柔性传感器在监测物理、化学和生化信号方面取得了巨大进展。作为一种具有非接触式监测的特点的柔性传感器,柔性湿度传感器在人类保健、植物蒸腾和人机交互中展现出多种应用。高性能柔性湿度传感器应用于非接触式人体呼吸和人机界面,有助于降低不同用户之间交叉感染的风险,尤其是在 COVID-19 流行期间。

Multifunctional Flexible Humidity Sensor Systems Towards Noncontact Wearable Electronics

Yuyao Lu, Geng Yang*, Yajing Shen, Huayong Yang, Kaichen Xu*

Nano-Micro Letters (2022)14: 150

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00895-5

本文亮点

1. 全面综述了柔性湿度传感器及其集成系统最新进展

2. 重点介绍了基于柔性穿戴式湿度传感器的非接触式检测典型示例

3.讨论了将柔性湿度传感器应用于非接触式测量的机遇和挑战

内容简介

在COVID-19流行大背景下,浙江大学徐凯臣、杨赓研究员等人基于前期的研究成果,综述了多种高性能、持久耐用的柔性湿度传感器在非接触式监测上的最新进展。首先,重点介绍了电阻式、电容式、阻抗式和电压式柔性湿度传感器的不同工作机制。其次,对基于无机氧化物、硫化物、钙钛矿以及导电高分子等多种功能材料的柔性湿度传感器进行了展开叙述。此外,还引入了包括化学掺杂、结构设计和焦耳加热在内的典型策略来提高湿度传感器的性能。最后,应用中着重介绍了非接触式感知能力、人/植物健康管理、人机交互以及基于集成湿度传感器的反馈系统,同时讨论了柔性湿度传感器在未来应用的机遇和挑战。
图文导读

湿度传感器的传感原理

一般情况下,大多数柔性湿度传感器的传感机理可以用 Grotthuss 链式反应来解释,该过程通常可以简化为:H₂O + H₃O⁺= H₃O⁺ + H₂O。它通常是指在一定相对湿度 (RH) 下活性材料之间的动态电荷转移过程。由于湿度传感器的信号强度反映了传感材料表面的水分子数量,因此活性材料的亲水性对传感性能起着至关重要的作用。一般来说,水分子的吸收过程可以分为两个步骤。首先,第一层水分子通过与羟基或表面缺陷形成化学键吸附在活性材料表面。当RH增加时,通过物理吸附在敏感膜上形成更多层的水分子。由于水分子在静电场中容易电离,水合氢离子自发产生并在相邻水分子之间转移。这极大地促进了载体的转移,从而改变了湿度传感器的输出。基于上述质子跳跃过程,柔性湿度传感器通常根据不同的测量策略分为电阻式、电容式、阻抗式和电压式。基于不同工作机理下的柔性湿度传感器,可以输出不同的物理信号。

图1. 不同模式下的柔性湿度传感器的工作机理:(a-c)电阻式,(d-e)电容式,(f-g)阻抗式和(h-i)电压式。

II 基于多种功能材料的柔性湿度传感器

性能优异的湿度传感器主要依赖于活性材料的特性,活性材料被认为是湿度传感器的核心。近年来,功能性无机纳米材料,如碳、金属硫化物和金属氧化物等,由于其具有高暴露表面积和对水分子具有优异亲和力的特性,在用于柔性湿度传感器的各种活性材料中脱颖而出。此外,基于功能性聚合物的柔性湿度传感器因其生物相容性和可生物降解的特性而受到广泛的研究关注。本文中详细讨论了基于无机纳米材料和聚合物的柔性湿度传感器的最新进展。

图2. 基于碳材料和金属硫化物的柔性湿度传感器。

图3. 基于导电聚合物材料的柔性湿度传感器。

III 性能优化策略

非接触式的应用需要柔性湿度传感器具备优异的性能和持久的耐用性。然而,目前部分的柔性湿度传感器的性能仍存在不足,主要是灵敏度相对较低、检测范围窄、明显滞后和循环稳定性差。同时,与其他可以很好地钝化以实时记录生命体征和身体活动的可穿戴设备相比,用于湿度传感器的活性纳米材料通常是暴露在外的。这可能会在一段时间后导致性能下降,甚至可能由于外部划痕、外力或污染导致设备故障。因此,在本文中,详细的概述了几种优化湿度传感器性能的针对性策略。其中,通过对材料进行化学掺杂和表面修饰,可以增加材料表面的缺陷,从而提高氢质子的迁移。通过对材料和器件结构进行调整,增加材料的孔隙率,减少器件性能的迟滞。通过在器件上增加微型加热薄膜,也可以进一步优化器件在高湿度下的反应速度。

图4. 优化湿度传感器性能方法一:对材料进行掺杂和表面修饰。

图5. 优化湿度传感性能方法二:多孔结构设计。

IV 多种非接触式应用
由于湿度传感器可以直接与水分子接触产生电荷转移,避免了与被测物体直接接触而产生污染。与大多数基于直接接触传感来跟踪压力、温度、应变等的柔性传感器不同,非接触式感知可以扩展其在遥感或有毒环境中的应用。尤其是自 2020 年以来,COVID-19 大流行席卷全球。佩戴口罩和开发非接触式开关已成为自我保护和预防感染的重要手段。此外,与人类一样,人类依靠皮肤出汗来调节体温,植物能够通过叶子上的气孔通过蒸腾过程来管理能量。这种蒸腾过程可以通过轻薄的柔性湿度传感器以非接触的方式进行长时间的模拟检测。此外,将湿度传感器与其他传感器、柔性印刷电路、智能显示器和手机集成在一起,可以生成具有即时反馈功能的多功能便携式传感器系统。本文详细综述了湿度传感器在人体健康监测、智能人机交互、植物健康状态检测以及反馈系统级集成中的应用。
图6. 非接触式呼吸检测和皮肤湿度水平检测。
图7. 非接触式植物生理信息监测。
图8. 基于柔性湿度传感器的集成反馈系统。
总结与展望

在过去的十年中,各种类皮肤的柔性传感器在监测物理、化学和生化信号方面取得了巨大进展。作为一种具有非接触式监测的特点的柔性传感器,柔性湿度传感器在人类保健、植物蒸腾和人机交互中展现出多种应用。高性能柔性湿度传感器应用于非接触式人体呼吸和人机界面,有助于降低不同用户之间交叉感染的风险,尤其是在 COVID-19 流行期间。在本项工作中,我们首先讨论了近年来基于各种功能材料的柔性湿度传感器。为满足持久应用的要求,综述了主要基于表面改性、结构设计和焦耳加热的各种优化策略,以提高湿度传感器的灵敏度、检测范围、响应/恢复速度和稳定性。在高性能柔性湿度传感器的基础上,介绍了非接触式检测中湿度传感器的几个典型示例,从单一功能到集成混合反馈传感器系统。这些多功能可穿戴湿度传感器系统为非接触式感知提供了一条新途径,从而扩展了它们在遥感或有毒环境中的应用。尽管在柔性湿度传感器方面取得了巨大成就,但要实现实际应用,还应考虑以下四个关键因素。

(一)目前提出的大多数柔性湿度传感器都难以长时间运行,尤其是在高湿度(>90%)下,因为设备中的水分子难以解吸,这个缺点限制了它们的持久应用。文中介绍的多孔结构或焦耳加热只可以在一定程度上维持性能。未来进一步的研究可能集中在探索新的传感机制和发现创新的纳米材料以解决基于薄膜的湿度传感器的不稳定问题。

(二)目前柔性传感器系统长时间运行存在功耗问题,可以通过与纳米发电机(TENG)进行结合,为可穿戴绿色电子设备开发自供电湿度传感器。

(三)大多数柔性湿度传感器依赖于溶液加工的方法,这些方法相对难以实现批次间可重复和稳定性。光刻图案或激光直写方法为湿度传感器提供了更可靠的重复性。特别是,通过调控制造模式,激光加工能够同时产生电极和活性材料以响应湿度变化。这种简便、高度可重复和高通量的手段有望推动柔性湿度传感器的商业化。

(四)从多模式集成传感系统的角度来看,应考虑信号交叉耦合效应。由于湿度可能会影响多种功能材料的性能,因此应充分研究湿度对集成在薄膜上的其他传感器的影响。

作者简介

杨赓
本文通讯作者
浙江大学 研究员
主要研究领域
多模态柔性传感、智能人机交互系统、物联网技术。

主要研究成果

博士生导师,浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室固定成员。浙江大学机械工程学院副院长,博士毕业于瑞典皇家理工学院。国家青年人才计划入选者、浙江省杰出青年基金项目获得者。担任IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics (IEEE JBHI)、Bio-Design and Manufacturing (BDM) 等期刊编委。目前主持国家自然基金面上项目1项、浙江省自然科学基金杰出青年基金1项,作为骨干参与科技部重点研发计划1项、国家自然科学基金重大项目1项。长期致力于多模态柔性传感、智能人机交互系统、物联网技术等研究工作。在机器人感知、人机交互等方面的研究得到国际同行及专家的高度评价,在 Adv. Functional Materials, IEEE TII, IEEE TIE, IEEE JBHI等国际权威期刊和旗舰会议上发表 80 余篇学术论文,其中封面论文12篇,高被引论文1篇。

研究主页:https://person.zju.edu.cn/gengy/703286.html

徐凯臣

本文通讯作者

浙江大学 研究员
主要研究领域
柔性电子制造、激光微纳/原位制造、植入式医疗器械、机器人柔性感知/可穿戴健康管理。

主要研究成果

浙江大学“百人计划”研究员,博导。入选国家级青年人才计划,日本学术振兴会(JSPS)特别研究员。浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室固定成员。2014年本科毕业于南京邮电大学,2018年于新加坡国立大学获得博士学位,随后前往日本大阪府立大学从事博士后研究。主要从事多功能柔性电极/传感器制造、激光微纳制造研究。在Adv. Mater.等国际期刊上发表论文30余篇。主持或参与科技创新2030重大项目、国家自然科学基金等多项国家级项目。担任《International Journal of Extreme Manufacturing》(《极端制造》)青年编委,Engineering(中国工程院院刊)青年通讯专家,期刊 《光电工程》编委,为50余个期刊审稿160余次。

研究主页:

https://person.zju.edu.cn/xukc

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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