中國科學院微電子研究所：用于呼吸監測的納米森林濕度傳感器
中國科學院微電子研究所毛海央研究員團隊提出了一種由濕敏電容、參比電容、熱敏電阻和微加熱器四部分構成的新型濕度傳感器。采用納米森林作為濕敏材料，與傳統的聚酰亞胺濕度傳感器相比，靈敏度顯著提高。此外，通過在傳感器内部內建微加熱器、熱敏電阻和參比電容，可以有效的縮短濕度傳感器的響應恢複時間、提高濕敏信号精度和抗幹擾能力。通過理論分析和實驗測試，研究了叉指電極數量和加熱溫度對濕度傳感性能的影響，論證了差分法在濕度傳感器中應用的優勢。結合機器學習算法，內建納米森林的濕度傳感器可以用于人體呼吸狀态監測，繼而有望在消費電子和醫療器械領域廣泛應用。
本文亮點
1. 采用納米森林作為濕敏材料，與傳統的聚酰亞胺相比，在40 %至 90%相對濕度範圍内，傳感器的靈敏度提高了8倍；
2. 傳感器内部內建的微加熱器可以加速水分子在納米森林表面解吸附，将恢複時間縮短至5秒；
3.采用差分法輸出信号，可以消除寄生電容帶來的影響。同時，内部內建熱敏電阻可以校準溫漂，提升濕度測量精度；
4.結合機器學習算法，內建納米森林的濕度傳感器可以區分使用者不同的呼吸狀态，準确率達94%。
研究背景
呼吸是支援人類生命和活動的一個關鍵過程。呼吸異常通常是一個人身體出現問題的前兆。許多疾病，例如由感染引起的心髒病、肺炎、支氣管炎、睡眠呼吸暫停和高熱，都會引起一個人呼吸頻率和深度的變化。濕度傳感器可以通過人體呼吸時鼻腔附近的濕度變化建立起人類呼吸和電信号的關系。是以，近年來，用于呼吸監測的濕度傳感器的需求正以驚人的速度增長。然而，傳統的濕度傳感器由于體積大、靈敏度低、溫度漂移和響應慢等原因，其應用受到了限制。 随着近幾十年來微機電系統(MEMS)的發展，采用電容式、電阻式、諧振式和光學等不同原理設計的微型濕度傳感器已經得到了發展。電阻式器件體積小、結構簡單、成本低，但抗幹擾能力差，測試精度低。光學傳感器器件具有較高的測試精度，但其微加工工藝與內建電路技術不比對。在不同的設計原則中，電容型器件受到青睐，因為這種器件在較寬的相對濕度(RH)範圍内提供了更好的精度和內建友善。
傳統的電容式濕度傳感器通常由覆寫一層濕度敏感材料的叉指電極構成。傳統電容式濕度傳感器的性能受到以下幾個方面的限制。首先，高品質濕敏材料的相對稀缺和來自基底的寄生電容限制了這些傳感器的靈敏度和精度。目前，這些器件中使用的敏感材料主要包括多孔矽、陶瓷和有機材料。有機材料如聚酰亞胺(PI)得到了廣泛的應用。然而，PI是一種含有半封閉納米結構的多孔材料，基于PI的濕度傳感器的全輸出範圍通常隻有1到2 pF，這意味着需要高精度和高成本的專用內建電路(asic)來比對這些傳感器。多孔矽和陶瓷，如陽極氧化鋁，靈敏度更高，但這些材料的制備過程相對複雜，不能與傳統的CMOS工藝相容。其次，當電場線通過襯底時，會産生寄生電容，這将影響濕敏電容的測試和傳感器的精度。其次，在實際應用中，環境溫度影響濕敏材料的介電常數，導緻電容變化，進而導緻測量結果不準确。最後，當這種類型的濕度傳感器長時間在高濕度環境中使用時，通常會在傳感器表面發生水汽的凝結。 這種水冷凝過程意味着水分子的解吸需要相對較長的時間，進而導緻這些傳感器的恢複時間較長。為了解決這些具有挑戰性的問題，迫切需要一種既能消除寄生電容和校準溫度漂移，又能提高靈敏度和縮短濕度傳感器恢複時間的新型濕度傳感器。
中國科學院微電子研究所毛海央研究員團隊提出了一種由濕敏電容、參比電容、微加熱器和熱敏電阻組成的新型濕度傳感器。在該傳感器中，濕敏電容采用原位內建納米森林作為濕敏材料，由于納米森林表面存在大量親水基團且具有超大的體表面積比，是以可以大幅度提高傳感器的靈敏度。此外，采用差分電容輸出，可以提高傳感器的抗幹擾能力和消除寄生電容的影響，同時，加入熱敏電阻可以校準溫度漂移，使用微加熱器可以加速水分子的解吸。基于上述這些獨特的設計，基于納米森林的濕度傳感器具有良好的靈敏度、快速恢複速度、高精度和抗幹擾能力。此外，将濕度傳感器植入N95口罩中，可以監測不同的呼吸狀态，結合機器學習算法，實作了高達94%的呼吸狀态監測精度。是以該傳感器有望在消費電子和醫療器械領域廣泛應用。
