基于氧化镓（Ga₂O₃）/ 液态金属的柔性湿度传感器的激光直写技术

柔性电容式湿度传感器的设计与制造。(a) 柔性 Ga₂O₃/ 液态金属（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（氧化镓包裹液态金属）薄膜的机理以及基于 Ga₂O₃/LM 的湿度传感器的传感机理示意图。图片来源：《光电子进展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

近期，新兴的柔性湿度传感器研究在先进制造方法以及包括人类健康护理检测、植物健康管理和非接触式人机界面等创新应用方面取得了重大进展。电容式湿度传感器因其可靠的湿度传感性能、低功耗和简便的结构设计而备受关注。一般来说，电容式湿度传感器的性能与传感电极之间功能材料的介电常数密切相关。

到目前为止，已经研究了各种活性材料作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，它们通常具有较大的暴露表面积和丰富的活性位点，以便与水分子相互作用。Ga₂O₃作为一种具有高暴露亲水基团的潜在金属氧化物，已被用作电容式湿度传感器的活性材料。

传统的制备基于 Ga₂O₃的湿度传感器的技术主要包括化学气相沉积、热处理和水热法。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多种材料体系，这阻碍了它们的实际应用。

柔性湿度传感器的表征。GWLM 的扫描电子显微镜（SEM）图像 (a-d) 有激光烧结和 (a, e) 无激光烧结的情况。(f) Ga、In 和 O 分布的能量色散 X 射线光谱（EDX）图像。(g) 聚酰亚胺（PI）薄膜上未烧结的 GWLM 颗粒的直径尺寸分布直方图。(h) 不同激光能量密度下激光诱导的导电 GWLM 路径的电阻率。(i) 激光能量密度为 9.4 J/cm² 时烧结的液态金属路径的最小分辨率。(j)-(l) 具有不同制造参数（即电极的宽度和长度、紫外激光能量密度）的基于 Ga₂O₃/LM 的湿度传感器示意图（上）。通过周期性地将湿度从 30% 相对湿度（RH）变化到 95% RH 对基于 Ga₂O₃/LM 的湿度传感器进行循环测量（下）。图片来源：《光电子进展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

数字激光直写是一种快速且环保的制造方法，可用于生成功能性微 / 纳米结构，或直接高精度地制造敏感的纳米材料。基于激光与物质的相互作用，通过明智地选择合适的激光加工参数，已经展示了各种创新的柔性传感器，如物理、化学和生理传感器。

典型的策略通常依赖于对电极进行激光直写，然后在电极顶部沉积对湿度敏感的纳米材料，如基于碳或金属硫化物的材料。然而，这导致了多个复杂的步骤。因此，仍然需要一种简便的方法来开发基于薄膜的湿度传感器。

(a) 佩戴在受试者脸上的商用口罩上的湿度传感器照片。(b) 受试者在休息状态下用嘴进行的人体呼吸测试。(c) 传感器的响应和恢复时间。(d)-(f) 受试者在休息状态下用鼻子实时监测呼吸频率。实时监测手掌湿度，(g) 饮用热水时和 (h) 锻炼时的情况。图片来源：《光电子进展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

在这项发表于《光电子进展》的新工作中，展示了一种通过一步激光直写技术制备的可穿戴电容式基于 Ga₂O₃/ 液态金属的湿度传感器。由于激光的光热效应，包裹着 Ga₂O₃的液态金属纳米颗粒可以被选择性地烧结，并从绝缘状态转变为电阻率为 0.19 Ω・cm 的导电迹线，而未处理的区域则作为活性传感层来响应湿度变化。

在 95% 的相对湿度下，该湿度传感器表现出高度稳定的性能，同时具有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体呼吸频率，以及在不同生理状态下手部的皮肤湿度，用于健康护理监测。

更多信息：崔松雅等人，《基于氧化镓 / 液态金属的柔性湿度传感器的激光直写技术》，《光电子进展》（2023 年）。DOI: 10.29026/oea.2023.220172

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