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- 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(shù)
- 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(shè)計(jì)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(jié)。(b) 通過激光燒結(jié)形成 GWLM（氧化鎵包裹液態(tài)金屬）薄膜的機(jī)理以及基于 Ga₂O₃/LM 的濕度傳感器的傳感機(jī)理示意圖。圖片來源：《光電子進(jìn)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(jìn)制造方法以及包括人類健康護(hù)理檢測、植物健康管理和非接觸式人機(jī)界面等創(chuàng)新應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而備受關(guān)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(shù)密切相關(guān)。
到目前為止，已經(jīng)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(diǎn)，以便與水分子相互作用。Ga₂O₃作為一種具有高暴露親水基團(tuán)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(shù)主要包括化學(xué)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(fù)雜的制造程序以及多種材料體系，這阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)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(jié)和 (a, e) 無激光燒結(jié)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(jié)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(dǎo)的導(dǎo)電 GWLM 路徑的電阻率。(i) 激光能量密度為 9.4 J/cm² 時(shí)燒結(jié)的液態(tài)金屬路徑的最小分辨率。(j)-(l) 具有不同制造參數(shù)（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(jìn)行循環(huán)測量（下）。圖片來源：《光電子進(jìn)展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
數(shù)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(jié)構(gòu)，或直接高精度地制造敏感的納米材料。基于激光與物質(zhì)的相互作用，通過明智地選擇合適的激光加工參數(shù)，已經(jīng)展示了各種創(chuàng)新的柔性傳感器，如物理、化學(xué)和生理傳感器。
典型的策略通常依賴于對電極進(jìn)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(dǎo)致了多個(gè)復(fù)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(jìn)行的人體呼吸測試。(c) 傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。(d)-(f) 受試者在休息狀態(tài)下用鼻子實(shí)時(shí)監(jiān)測呼吸頻率。實(shí)時(shí)監(jiān)測手掌濕度，(g) 飲用熱水時(shí)和 (h) 鍛煉時(shí)的情況。圖片來源：《光電子進(jìn)展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
在這項(xiàng)發(fā)表于《光電子進(jìn)展》的新工作中，展示了一種通過一步激光直寫技術(shù)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(yīng)，包裹著 Ga₂O₃的液態(tài)金屬納米顆粒可以被選擇性地?zé)Y(jié)，并從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杪蕿?0.19 Ω・cm 的導(dǎo)電跡線，而未處理的區(qū)域則作為活性傳感層來響應(yīng)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(shí)具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)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(hù)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(shù)》，《光電子進(jìn)展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172
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