激光直接写入Ga2O3/液态金属的柔性湿度传感器

柔性电容式湿度传感器的设计和制造。(a) 柔性Ga2O3/LM湿度传感器的制造过程，包括超声处理、喷涂和激光烧结。(b) 通过激光烧结形成GWLM薄膜的机制以及基于Ga2O3/LM的湿度传感器的感应机制示意图。资料来源：《光电子学进展》（2023）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

最近对新兴的柔性湿度传感器的研究在先进的制造方法上取得了很大的发展，同时也取得了创新的应用，包括人类保健检测、植物健康管理和非接触式人机界面。电容式湿度传感器因其可靠的湿度传感性能、低功耗和便捷的结构设计而受到广泛关注。一般来说，电容式湿度传感器的性能与传感电极之间的功能材料的介电常数密切相关。

到目前为止，各种活性材料已经被研究为柔性电容式湿度传感器，如碳材料、金属氧化物、金属硫化物和聚合物。同样，它们通常具有大的暴露表面积和丰富的活性位点，可以与水分子相互作用。Ga2O3，作为一种具有高暴露亲水基团的潜在金属氧化物，已经被用作电容式湿度传感器的活性材料。

获得基于Ga2O3的湿度传感器的传统制造技术主要涉及化学气相沉积、热处理和水热方法。然而，这些方法通常需要较高的退火温度，复杂的制造程序以及各种材料系统，阻碍了它们的实际应用。

柔性湿度传感器的特征。有激光烧结的GWLM（a-d）和（a，e）的SEM图像。(f) Ga、In和O分布的EDX图像。(g) 未烧结的GWLM颗粒在PI薄膜上的直径大小分布直方图。(h) 在不同的激光能量下，激光诱导的导电GWLM路径的电阻率。(i) 在9.4J/cm2的激光通量下，烧结的LM路径的最小分辨率。(j)-(l) 基于Ga2O3/LM的湿度传感器的示意图，有不同的制造参数（即电极的宽度和长度，紫外激光的能量）（顶部）。通过定期改变湿度从30% RH到95% RH，对基于Ga2O3/LM的湿度传感器进行循环测量（底部）。资料来源：《光电子学进展》（2023）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

数字激光直写是一种快速和环保的制造方法，可以生成功能性的微/纳米结构或直接创造出高精度的敏感纳米材料。基于激光与物质的相互作用，通过明智地选择适当的激光加工参数，各种创新的柔性传感器，如物理、化学和生理传感器已被证明。

典型的策略通常依赖于激光直接写入电极，然后在电极的顶部沉积对湿度敏感的纳米材料，如碳或金属硫化物基材料。然而，这导致了多种复杂的程序。因此，仍然需要一种简单易行的方法来开发基于薄膜的湿度传感器。

(a) 戴在受试者脸上的商用面具上的湿度传感器的照片。(b) 受试者在休息状态下用嘴进行的人体呼吸测试。(c) 传感器的反应和恢复时间。(d)-(f) 在休息状态下用鼻子对受试者的呼吸速率进行实时监测。在(g)喝热水和(h)运动时实时监测手掌水分。资料来源：《光电子学进展》（2023）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

在这篇发表在《光电子进展》上的新工作中，通过一步式激光直写技术展示了一种可穿戴的电容型Ga2O3/液态金属基湿度传感器。由于激光的光热效应，包裹着液态金属的Ga2O3纳米颗粒可以被选择性地烧结，并从绝缘的痕迹转化为电阻率为0.19Ω-cm的导电痕迹，而未处理的区域则作为响应湿度变化的主动感应层。

在95%的相对湿度下，该湿度传感器显示出高度稳定的性能以及快速的响应和恢复时间。利用这些优异的性能，基于Ga2O3/液态金属的湿度传感器能够监测人类的呼吸速率，以及不同生理状态下的手掌皮肤湿度，用于健康护理监测。

参考资料：Songya Cui et al, Laser direct writing of Ga2O3/liquid metal-based flexible humidity sensors, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220172

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。