鄭州大學(xué)：研發(fā)基于濕氣發(fā)電效應(yīng)的靈敏的濕度傳感器

【鄭州大學(xué)：研發(fā)基于濕氣發(fā)電效應(yīng)的靈敏的濕度傳感器】

呼吸監(jiān)測有助于早期發(fā)現(xiàn)呼吸暫停、哮喘和心臟驟停等疾病，并可以為日常的健康管理提供指導(dǎo)意見，在降低呼吸系統(tǒng)疾病風(fēng)險(xiǎn)方面。濕度傳感器因其非接觸式的人機(jī)交互機(jī)制，避免了病毒或細(xì)菌的傳播，成為了實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測的重要手段。隨著各種新能源模式的發(fā)展，如摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)等，通過自供電濕度傳感器實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測成為可能。然而，這些方法面臨以下限制：（1）濕度傳感模塊和自供電系統(tǒng)往往是分開的，需要額外集成，不利于設(shè)備簡捷化和小型化。（2）高濕度不利于通過摩擦或擠壓引起的靜電產(chǎn)生有效的電信號輸出，需要依賴高精度的封裝。（3） 依賴于人類活動產(chǎn)生的機(jī)械能的監(jiān)測容易受到外部環(huán)境的運(yùn)動干擾，導(dǎo)致傳感器和人體組織活動之間不匹配。因此，對新型自供電濕度傳感器的探索引起了人們的廣泛關(guān)注。濕氣發(fā)電（MEG）作為一種新興的清潔能源模式，能夠一步將環(huán)境水分轉(zhuǎn)化為電能，這種發(fā)電方法與水蒸氣有著固有的關(guān)系，為開發(fā)具有簡單結(jié)構(gòu)的新型自驅(qū)動濕度傳感器提供了可能的途徑。

鄭州大學(xué)單崇新教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于石墨相氮化碳（g-CN）薄膜的MEG設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)一體化的自供電濕度傳感。采用氣相傳輸沉積法在多孔陽極氧化鋁（AAO）薄膜上生長形成了富含g-CN納米管的異質(zhì)膜，基于g-CN/AAO膜的MEG器件可以利用濕氣自發(fā)發(fā)電，在96%的相對濕度下產(chǎn)生0.47V的開路電壓、3.51μA的短路電流。當(dāng)相對濕度從41%變化到96%時(shí)，響應(yīng)電流呈指數(shù)級增長，響應(yīng)為1.78×106%（ΔI/I0）。這種對濕度存在固有響應(yīng)的發(fā)電機(jī)制可能來源于g-CN/AAO薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的離子梯度。此外，進(jìn)一步開發(fā)了一種基于濕度傳感器的自供電呼吸監(jiān)測設(shè)備，用于監(jiān)測人體運(yùn)動和睡眠狀態(tài)，其具有近12小時(shí)的持續(xù)監(jiān)測能力。這一結(jié)果為開發(fā)用于智能電子和醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的自供電濕度傳感器開辟了新的途徑。