- 基于氧化鎵（Ga₂O₃）/ 液態(tài)金屬的柔性濕度傳感器的激光直寫技術
- 來源：Compuscript 有限公司 發(fā)表于 2025/3/20
柔性電容式濕度傳感器的設計與制造。(a) 柔性 Ga₂O₃/ 液態(tài)金屬（LM）濕度傳感器的制造過程，包括超聲處理、噴涂和激光燒結。(b) 通過激光燒結形成 GWLM（氧化鎵包裹液態(tài)金屬）薄膜的機理以及基于 Ga₂O₃/LM 的濕度傳感器的傳感機理示意圖。圖片來源：《光電子進展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
近期，新興的柔性濕度傳感器研究在先進制造方法以及包括人類健康護理檢測、植物健康管理和非接觸式人機界面等創(chuàng)新應用方面取得了重大進展。電容式濕度傳感器因其可靠的濕度傳感性能、低功耗和簡便的結構設計而備受關注。一般來說，電容式濕度傳感器的性能與傳感電極之間功能材料的介電常數密切相關。
到目前為止，已經研究了各種活性材料作為柔性電容式濕度傳感器，如碳材料、金屬氧化物、金屬硫化物和聚合物。同樣，它們通常具有較大的暴露表面積和豐富的活性位點，以便與水分子相互作用。Ga₂O₃作為一種具有高暴露親水基團的潛在金屬氧化物，已被用作電容式濕度傳感器的活性材料。
傳統(tǒng)的制備基于 Ga₂O₃的濕度傳感器的技術主要包括化學氣相沉積、熱處理和水熱法。然而，這些方法通常需要較高的退火溫度、復雜的制造程序以及多種材料體系，這阻礙了它們的實際應用。
柔性濕度傳感器的表征。GWLM 的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像 (a-d) 有激光燒結和 (a, e) 無激光燒結的情況。(f) Ga、In 和 O 分布的能量色散 X 射線光譜（EDX）圖像。(g) 聚酰亞胺（PI）薄膜上未燒結的 GWLM 顆粒的直徑尺寸分布直方圖。(h) 不同激光能量密度下激光誘導的導電 GWLM 路徑的電阻率。(i) 激光能量密度為 9.4 J/cm² 時燒結的液態(tài)金屬路徑的最小分辨率。(j)-(l) 具有不同制造參數（即電極的寬度和長度、紫外激光能量密度）的基于 Ga₂O₃/LM 的濕度傳感器示意圖（上）。通過周期性地將濕度從 30% 相對濕度（RH）變化到 95% RH 對基于 Ga₂O₃/LM 的濕度傳感器進行循環(huán)測量（下）。圖片來源：《光電子進展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
數字激光直寫是一種快速且環(huán)保的制造方法，可用于生成功能性微 / 納米結構，或直接高精度地制造敏感的納米材料。基于激光與物質的相互作用，通過明智地選擇合適的激光加工參數，已經展示了各種創(chuàng)新的柔性傳感器，如物理、化學和生理傳感器。
典型的策略通常依賴于對電極進行激光直寫，然后在電極頂部沉積對濕度敏感的納米材料，如基于碳或金屬硫化物的材料。然而，這導致了多個復雜的步驟。因此，仍然需要一種簡便的方法來開發(fā)基于薄膜的濕度傳感器。
(a) 佩戴在受試者臉上的商用口罩上的濕度傳感器照片。(b) 受試者在休息狀態(tài)下用嘴進行的人體呼吸測試。(c) 傳感器的響應和恢復時間。(d)-(f) 受試者在休息狀態(tài)下用鼻子實時監(jiān)測呼吸頻率。實時監(jiān)測手掌濕度，(g) 飲用熱水時和 (h) 鍛煉時的情況。圖片來源：《光電子進展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
在這項發(fā)表于《光電子進展》的新工作中，展示了一種通過一步激光直寫技術制備的可穿戴電容式基于 Ga₂O₃/ 液態(tài)金屬的濕度傳感器。由于激光的光熱效應，包裹著 Ga₂O₃的液態(tài)金屬納米顆粒可以被選擇性地燒結，并從絕緣狀態(tài)轉變?yōu)殡娮杪蕿?0.19 Ω・cm 的導電跡線，而未處理的區(qū)域則作為活性傳感層來響應濕度變化。
在 95% 的相對濕度下，該濕度傳感器表現(xiàn)出高度穩(wěn)定的性能，同時具有快速的響應和恢復時間。利用這些優(yōu)異的性能，基于 Ga₂O₃/ 液態(tài)金屬的濕度傳感器能夠監(jiān)測人體呼吸頻率，以及在不同生理狀態(tài)下手部的皮膚濕度，用于健康護理監(jiān)測。
更多信息：崔松雅等人，《基于氧化鎵 / 液態(tài)金屬的柔性濕度傳感器的激光直寫技術》，《光電子進展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
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