華中科技大學劉逆霜《AFM》：基於電位溼度傳導機制的自供電、非接觸式溼度傳感器！
衆所周知，直接的人機接觸可能導致人與人之間細菌/病毒的交叉感染。因此，逐步發展的非接觸式信息交互方式已成爲人機交互（HMI）的新趨勢。其中，能夠響應周圍環境或人體皮膚表面溼度變化的溼度傳感器避免了人機接觸和細菌/病毒交叉感染。儘管溼度傳感器的研發取得了很大進展，但尚未實現小型化、便攜化、低功耗、規模化生產和低成本的要求。主要是由於製造工藝繁瑣、結構複雜、需要外部供能設備、缺乏快速的溼度響應等挑戰。此外，除了現有的傳感機制（如電阻式、電容式和基於官能團梯度的器件），很少有人關注開發具有新穎特性的新型傳感機制，以滿足小型化和集成化的要求。因此，仍然迫切需要開發一種易於製造、低功耗和自供電的先進溼度傳感器。
鑑於此，華中科技大學劉逆霜副教授提出了一種新的電位溼度轉換機制，該機制通過對氧化石墨烯（GO）固體電解質的溼度刺激來調節兩個電極之間的測量電位差。憑藉這種機制，作者設計了高度可調的電位溼度傳感器，該傳感器具有還原氧化石墨烯/GO/泡沫金屬（鎳、鋅、鐵和銅）的夾層結構、良好的可擴展性和成本效益，可實現快速響應/恢復（0.8 s/2.4 s）、超高響應（0.77 V）、出色的穩定性（超過1500次循環）和優異的靜態\動態溼度刺激監測能力，彌補了傳統溼度傳感機制在小型化和成本效益方面的不足。此外，製備的傳感器還具有自供電能力，無需額外的動力單元，並且具有超低功耗。這項自供電和非接觸式溼度傳感器的研究爲未來便攜式小型化智能設備的研發提供了新思路。相關工作以“Self-Powered Graphene Oxide Humidity Sensor Based on Potentiometric Humidity Transduction Mechanism”爲題發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。
自供電傳感器的設計
圖1爲具有rGO/GO/Ni fm結構的2D全固態溼度傳感器的結構示意圖。尺寸爲1.0 cm 2和厚度爲20 µm的GO在rGO/GO/泡沫金屬體系中起到了固體電解質的作用。爲了提高性能，在這項工作中對溼度傳感器進行了優化，通過不同電極接觸面積的器件的響應/恢復曲線結果證明了當電極有效接觸面積爲1.0 cm2時，傳感器具有最大的輸出電流密度。該傳感器無需額外的電源設備並且在相對溼度（RH）達到90%時表現出0.24 µW的超低功耗。高度可調的電位溼度傳感器具有良好的可擴展性和成本效益，可實現快速響應/恢復（0.8 s/2.4 s）、超高響應（0.77 V）。
圖1溼度傳感器設計
傳導機制驗證和理論計算
作者指出器件的工作機制是電位溼度轉換機制，該機制可以通過潮溼刺激來調節兩個電極之間測量的輸出電壓。爲了驗證這種機制，作者測量了具有多種電極材料的設備的輸出電壓和相同電極材料的溼度響應（圖2）。結果表明，該系統具有出色的可擴展性，不受特定電極的限制並且可以輕鬆調節此類設備的特性。此外，作者還進行了大量的實驗證實了傳感器的工作所依賴的是電位溼度轉換機制。爲了進一步證實這種機制的可行性，作者又對有水吸附或沒有水吸附的GO進行了密度泛函理論（DFT）。DFT計算充分表明GO對H 2O具有較大的吸附能（圖3）。當GO吸水並充當固體電解質時，對H +的吸附能變小，因此H +可以在基板材料上良好遷移並實現良好的導電性。在基於電位溼度傳導機制的rGO/GO/泡沫金屬體系中，GO膜作爲一種重要的固體電解質，保證了潮溼環境下兩個電極之間輸出電壓的形成和調節，從而獲得相應的溼度響應信號變化。
圖2傳感機制研究
圖3理論計算
rGO/GO/Ni fm傳感器的傳感性能和應用
基於溼度電位轉換機制，作者研究呈現三明治結構的rGO/GO/Nifm傳感器傳感性能（圖4）。當溼度低於20%RH時，溼度傳感器不會輸出穩定的電壓信號。在超過600 s的長時間溼度響應的情況下，其響應/恢復時間保持不變。結果表明該器件具有出色的長期溼度穩定性和長期靜態響應行爲。rGO/GO/Ni fm對溼度的響應/恢復曲線在1500次循環後仍然非常快速和穩定，表明其具有良好的動態循環穩定性和較長的使用壽命。得益於快速的溼度響應速度，rGO/GO/Ni fm適用溼度響應的非接觸式應用（圖5）。如監測水滴通過引起的溼度變化、志願者運動前後呼吸引起的溼度變化、自供電能力以及對響應手指潮溼的響應等。結果表明，該溼度傳感器不僅具有體積小、結構簡單、成本低、易於集成等優點而且還可作爲有效且可靠的非接觸式檢測方法。
圖4傳感器的傳感性能
圖5非接觸式應用
小結：作者提出了一種新的溼度傳感機制並設計了一種具有簡單的rGO/GO/泡沫金屬（鎳、鐵、鋅和銅）夾層結構的傳感器系統，該傳感器具有溼度感應、高響應、快速響應/恢復和高穩定性行爲。此外，作者從實驗和理論上證明了電位溼度傳導機制的可行性和優勢。有趣的是，此類傳感器的性能並不取決於特定的電極材料，而是與溼度傳感層的兩個電極之間的電位差有關，因此具有良好的可擴展性和通用性。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107330
來源：高分子科學前沿
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