开发具有均匀多皱褶氧化石墨烯薄膜的高性能表面声波湿度传感器

成果简介

湿度传感器广泛应用于物联网（IoT）。根据医疗呼吸监测、非接触传感和人机界面的要求，快速响应和高重复性对于高效、精确地采集信号非常重要。以往的研究工作主要集中在灵敏度的提高上，对响应时间、稳定性和可重复性进行了削弱。本文，北京理工大学王晓毅、浙江大学高峰等研究人员在《ACS Sens》期刊发表名为“A High-Performance SurfaceAcoustic Wave Humidity Sensor with Uniform Multiwrinkled Graphene Oxide Film”的论文，研究利用真空过滤和液相转移法获得的均匀多皱氧化石墨烯（GO）薄膜作为传感材料，提出了具有综合性能的表面声波（SAW）湿度传感器。多皱褶氧化石墨烯薄膜具有厚度可控（薄至 29 nm）、晶圆制造均匀（2 英寸）、皱纹丰富等特点，因其具有大量的水分子吸附位点和传递通道而成为声表面波湿度传感器的有效敏感薄膜。实验结果表明，该传感器可获得高灵敏度（10.5 kHz/RH%@60 nm 厚膜）、超快响应（约45 ms）、良好的稳定性（变化幅度约0.1%）、可重复性（变化幅度约1%）以及晶圆级制造能力，这表明其在医疗呼吸监测、非接触传感和人机界面方面具有实际应用价值。

图文导读

图1.基于多皱褶GO薄膜的SAW湿度传感器示意图。

图2、多皱褶GO薄膜的表征。

图3.（a） 组装 GO 薄膜之前和之后（红色）的 SAW 器件（黑色）的阻抗曲线。（b） 测试过程中的响应（黑色）、校准（红色）和温度（蓝色）曲线。（c） 组装不同厚度的 GO 薄膜后的响应曲线。（d） SAW 湿度传感器的测量结果和拟合结果的响应曲线。基于多褶皱 GO 薄膜的 SAW 湿度传感器的响应 （e） 和恢复 （f） 性能。基于多褶皱 GO 薄膜的 SAW 湿度传感器的重复性 （g）、短期 （h） 和长期 （i） 稳定性性能。

图4.基于多褶皱 GO 薄膜的 SAW 湿度传感器的 （a） 频率检测性能和 （b） 人体呼吸检测性能。

图5.（a） 安全警告的非接触式传感性能和 （b） 基于多皱褶GO薄膜的SAW湿度传感器的人机交互演示。

小结

本文介绍了利用均匀的多皱氧化石墨烯（GO）薄膜作为传感材料，通过真空过滤和液相转移方法实现的具有超快响应速度的表面声波（SAW）湿度传感器。多皱纹氧化石墨烯（GO）薄膜具有丰富的皱褶结构、可控的厚度和晶圆级制备能力，因此非常适合用于声表面波湿度传感器。这些传感器具有高灵敏度（60 nm 厚薄膜的灵敏度为 10.5 kHz/RH%）、超快响应（～45 ms）、出色的稳定性（变化幅度～0.1%）和可重复性（变化幅度～1%），这归功于多皱褶GO 薄膜中固有的大量水分子吸附位点和传输通道。此外，基于多皱褶GO薄膜的声表面波湿度传感器在医疗呼吸监测、非接触式传感和人机界面等领域的应用具有巨大潜力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acssensors.4c02177

审核编辑 黄宇