中山大学：用于呼吸识别和非接触式人机交互的均匀快速响应湿度场传感阵列的可扩展制备

后疫情时代，公共场合的接触式人机交互（Human-Machine Interaction, HMI）界面因需物理接触存在让人们感染病毒的风险。相比之下，基于湿度传感器的非接触式交互技术可有效规避此类问题。值得注意的是，人体手掌因富含水分子，能提供稳定的湿度源，这使其成为非接触式人机交互的理想特征载体。此外，湿度作为环境监测的核心参数，其变化直接影响工业生产、农业生态及医疗健康等领域。因此，开发高性能湿度传感器不仅能为非接触式人机交互提供创新解决方案，还具有重要的学术价值与工程应用潜力。然而，现有的湿度传感研究多聚焦于提升单个传感器的性能（如灵敏度、响应时间等），其在表征湿度场空间分布方面仍存在局限性。为了实现精确的非接触式人机交互，需要传感器阵列来检测湿度场的变化。然而，湿度场传感阵列的研究仍然有限，面临着诸如可拓展的制备方法和传感器性能均匀性等挑战，此外，需要开发新的敏感材料和机制来加快响应和恢复速度，实现低延迟和精准的非接触交互。

为了解决这一问题，本文提出了一种基于1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺（EMIMTFSI）/聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVDF-HFP）离子凝胶的高性能柔性湿度传感器及其可扩展阵列化制备方法。基于模板法将离子凝胶前驱液选择性旋涂于印刷有叉指电极阵列区域的柔性聚酰亚胺衬底上，实现了传感器阵列的可扩展制备。这种方法允许精确控制敏感层的厚度并确保阵列中传感器的响应均一性，与传统制造方法相比，不同器件间响应偏差降低了9倍。此外，传感单元还展示了快速响应/恢复时间（0.65/0.85 s）、宽检测范围（11%-98% RH）、良好的可重复性和长期稳定性（120天以上），以及抗弯曲能力和良好的环境稳定性。这些令人印象深刻的湿度传感性能使离子凝胶传感器阵列适用于实时呼吸监测和手指的湿度场识别。此外，通过结合神经网络算法实现了对不同呼吸模式及非接触式手势识别的准确分类。这些应用突出了离子凝胶湿度传感器阵列在医疗保健和非接触式HMI领域的潜力。相关工作以“Scalable Fabrication of Uniform Fast-Response Humidity Field Sensing Array for Respiration Recognition and Contactless Human-Machine Interaction”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者为中山大学电子与信息工程学院吴进副教授、南京工业大学柔性电子（未来技术）学院霍峰蔚教授。共同第一作者为中山大学研究生张志铖和李健烨。

图1 柔性离子凝胶湿度传感器阵列的制备和应用示意图

本文报道了一种柔性的离子凝胶基湿度传感器阵列，它能够在人工智能技术的辅助下识别空间湿度场分布，用于精确的呼吸特征识别和非接触式手势分类，设计的非接触式人机交互系统还可用于远程控制药物输送车辆。阵列的传感层是由离子液体和聚合物网络通过离子-偶极相互作用交联形成的疏水离子凝胶（图1b）。

图2 离子凝胶的表征、传感单元的性能调控，以及旋涂阵列法制备的传感器与分批次制备的传感器的均一性对比。对离子凝胶微观形貌、热稳定性和可控的厚度等性能进行了表征。为了获得最佳的传感器性能和相应的制备工艺，探究了交流电压的频率、电极间距、离子凝胶传感层厚度等对传感器性能的影响规律。

图3 离子凝胶的传感机理；离子凝胶的快响应/恢复时间、长寿命、低迟滞、抗弯曲和宽工作温度等特性；离子凝胶湿度传感器与其他湿敏材料传感器性能对比。

使用电化学工作站对传感器进行了系统的电化学阻抗谱分析。在不同湿度水平下，复阻抗谱呈现出相同的高频区半圆特征和低频区线性特征。结果说明离子凝胶湿度传感器的传感机制不仅涉及离子凝胶的固有阻抗、离子扩散动力学，还与电极-离子凝胶界面的电荷转移过程有关。实验结果表明传感器的性能在超过120天时仍保持不变，具有循环稳定性，低于6%的滞后性，弯曲150° 仍可正常工作的抗弯曲性，高达60 ℃仍可识别不同相对湿度的宽工作温度范围。

图4 离子凝胶湿度传感器的呼吸监测及呼吸模式识别能力

由于离子凝胶湿度传感器具有良好的湿度传感能力，是呼吸监测和非接触式人机交互的良好选择。对于呼吸监测，使用单个离子凝胶湿度传感器结合口罩设计了可穿戴的呼吸监测报警系统，可以在手机端实时显示受试者的呼吸状态，并且具备呼吸中断超过一定时间的报警功能。此外，还使用传感器阵列与口罩结合，通过深度学习算法实现了不同呼吸模式（口呼吸、鼻呼吸、单侧鼻堵塞）的识别，这是单个传感器无法做到的。值得注意的是，对于呼出气体的湿度场识别准确率，与阵列的通道数息息相关，通道数越多，识别准确率越高。

图5 离子凝胶湿度传感器的非接触式人机交互及手势识别能力

人类手指表面是高于空气相对湿度的稳定湿度源。当手指靠近传感器表面时，传感器的电导增加；当手指远离传感器表面时，电导迅速减小。结果证实离子凝胶湿度传感器具备作为非接触式人机交互界面的能力。阵列不仅可以有效识别手指滑动引起的湿度场变化，基于阵列的非接触式人机交互系统还实现了不同手指滑动轨迹控制蓝牙小车运动。此外，良好的手势识别结果证明，湿度传感器阵列可以准确的捕捉到空间上湿度场分布的不同。

总结：作者采用将离子凝胶旋涂于印刷有叉指电极阵列和隔离模板的柔性聚酰亚胺衬底上，实现了传感器的低成本、可扩展、均一化制备。阵列化制备的传感单元之间的性能均一性相对于分批次制备的传感器好了9倍。此外还通过优化电极间距和传感层厚度提高了传感单元的湿度响应性能。同时，这种方法制备的传感单元以及传感阵列可以应用于准确的非接触式人机交互界面、人体精细的呼吸监测和模式识别以及非接触式手势识别。

审核编辑 黄宇