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中科院微电子所:在纳米森林柔性湿度传感器及其应用研究方面取得新进展
来源:传感器专家网 | 作者:传感器热点 | 发布时间: 2023-07-09 | 1018 次浏览 | 分享到:

目前,各种电气设备和系统,从照明开关到公共场所的电梯或银行提款机,其控制与操作一般采用触摸方式完成,然而,这种传统的接触传感和操控会不可避免地带来磨损和疲劳,更有甚者,在医院等特殊场合,传统接触式人机交互界面很容易成为细菌和病毒的滋生载体,极易造成医疗设施的污染进而成为细菌和病毒在用户之间传播的途径。

该研究利用常规微加工工艺成功制备了晶圆级的纳米森林柔性湿度传感器,该器件利用纳米森林超大比表面积和丰富的亲水基团为水分子提供了大量吸附位点;另外,纳米森林内不同尺度的毛细孔隙为不同湿度下的毛细凝聚提供了条件,而纳米森林的直立结构又为毛细凝聚液沿着纳米森林向着湿度梯度场中更低湿度方向的上下输运提供了通道,基于以上结构特点,该研究实现了更灵敏和更快速的湿度检测。


纳米森林柔性湿度传感器的制备

该研究提出了一种纳米森林柔性湿度传感器的制备策略。首先,在6英寸柔性基底上溅射金属铝并通过光刻工艺形成叉指电极;随后,旋涂并图案化PI光刻胶层;最后,采用O2等离子体轰击PI光刻胶层,在叉指电极上形成纳米森林作为传感器的湿敏材料。为了验证传感器的性能,同时制备了直接以PI光刻胶层为湿敏材料的柔性湿度传感器(PFHS)。


纳米森林柔性湿度传感器的性能

作者分别对传感器的传感性能、稳定性、重复性进行了测试。经测试,所制备的NFHS具有高灵敏度(8.84pF/%RH)和快速响应(5s)特点。NFHS还表现出优异的长期稳定性(90天)、优异的柔韧性、弯曲后仍能保持良好的机械稳定性。


纳米森林的湿度敏感原理

由于纳米森林具有大的表面积(物理结构)和大量用于吸附水分子的官能团(化学性质),当纳米森林暴露在不同湿度条件下时,NFHS可以通过化学吸附和物理吸附协同增效。此外,纳米森林具有大量数十纳米的毛细孔隙,根据开尔文方程,不同尺度的毛细孔隙在不同湿度条件下会发生毛细凝聚现象。由于纳米森林内部均匀分布有不同大小和不同形状的孔隙,因此在全湿度条件下都会发生毛细凝聚。此外,由于纳米森林是直立于衬底分布的,纳米森林表面的超亲水特性会引导毛细凝聚液转移到纳米森林上湿度更低的位置。比如,在加湿过程中,毛细凝聚液会沿着纳米森林向下输运至结构的底部,并在金属电极位置汇聚,使湿敏材料的有效介电常数进一步增加。


纳米森林柔性湿度传感器的非接触传感应用

利用所制备的湿度传感器,该项工作进一步实现了对小车定向运动的非接触手势控制。该工作创新性地基于湿度敏感机制实现非接触操控系统,建立了湿度与传感器响应之间的关系,实现了对环境或者人体皮肤表面小微湿度变化的准确检测。同时,团队也构建了柔性湿度传感器阵列,通过“隔空”多点检测以及划动手势识别,赋予不同滑动手势以不同的指挥命令,实现了非接触式人机操控系统。该系统有望广泛应用于不同场合,实现无接触零感染的隔空操控,提高人机交互的安全性。


综上所述,作者利用纳米森林作为湿度敏感材料,开发了一种高灵敏度、快速响应的柔性湿度传感器,并应用于人机交互界面的非接触操控。由于纳米森林具有大的比表面积(物理结构)和丰富的亲水官能团(化学性质),在物理和化学协同作用下产生了有效的电容变化。基于该传感器,作者实现了对其它物体的非接触式操控,表明该器件具有巨大应用潜力。