高性能且灵活的基于Cu?O/ULIG的湿度传感器，适用于非接触式开关应用

《Sensors and Actuators B: Chemical》：High-performance and flexible Cu 2O/ULIG-based humidity sensors for non-contact switch applications

提出一种基于Cu?O/紫外激光诱导石墨烯（ULIG）的高性能柔性湿度传感器，通过电镀铜薄膜后激光扫描形成复合结构，测试显示在11-64% RH范围内灵敏度达1.919 kΩ/%RH，湿滞仅3.1%，响应时间10.6/13.8 s，长期稳定性良好（30天相对标准偏差2.4%-2.8%），并成功应用于非接触式风扇和线性电机控制。

　　

曾世峰|邱正祺|萧文泽|徐淑涵

台湾国立台北科技大学机械工程系，台北106344

摘要

本研究开发了一种高性能且柔性的Cu₂O/ULIG基湿度传感器，适用于非接触式开关应用。在紫外激光诱导的石墨烯基底（ULIG）上镀覆了铜（Cu）薄膜。随后，通过多次激光扫描在Cu薄膜表面形成Cu₂O/ULIG复合材料作为传感器的检测层。经过20次激光扫描后，该Cu₂O/ULIG传感器在11%至64%的低湿度范围内表现出最高的灵敏度（1.919 kΩ/%RH），较低的迟滞效应（3.1%），以及优异的重复性和快速的响应时间（t_p/t_c分别为10.6秒和13.8秒）。在为期30天的长期稳定性测试中，Cu₂O/ULIG传感器在11%、33%和97%湿度下的相对标准偏差分别为2.8%、1.1%和2.4%，显示出良好的稳定性。此外，所开发的传感器被应用于电风扇和电动直线舞台的非接触式开关中。该传感器的优点包括体积小、信号采集方便、制造简单、成本低廉、柔性强以及性能优异。未来，这种传感器的设计概念有望应用于植物栽培、鸡蛋孵化、家禽养殖等领域。

引言

湿度传感器（HSs）是一种用于检测和测量空气中水分子的电子元件。它们广泛应用于食品、农业、建筑、仪器、设备、医疗设备和工业领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。例如，智能车辆利用湿度传感器来确保车内空气处于最佳状态[7]；可穿戴设备也使用湿度传感器来检测皮肤湿度[8]、[9]。在食品生产和储存过程中，湿度传感器有助于监测水分含量，防止水分流失或过度潮湿，从而保持食品新鲜[10]、[11]。在医疗领域，除了用于药品储存外，湿度传感器还应用于呼吸机、输液泵和麻醉机中。实时湿度监测能让患者感到舒适，并避免吸入干燥冷空气引起的不适[12]、[13]。

优秀的湿度传感器应具备高灵敏度、快速响应和恢复时间（tp/tc）、低迟滞效应、高响应性以及良好的稳定性和重复性。这些传感器采用多种传感材料制造，如半导体金属氧化物（SMOs）[14]、[15]、导电聚合物[16]、碳材料[17]以及复合材料[18]、[19]、[20]、[21]。其中，SMO传感器具有无毒、成本低廉且易于制造各种纳米结构的优势。近期，多项研究提出了基于SMO/复合材料的湿度传感器以提升检测性能。Velumani等人[22]使用溶胶-凝胶法制备了ZnO/SnO₂传感器，该传感器表现出95%的响应率和8.6 ± 0.5 kΩ/RH%的灵敏度；Arularasu等人[23]利用水热法制备了PVDF/ZnO纳米复合材料湿度传感器，由于其高比表面积，该传感器的响应时间（tp/tc）为30/51秒，灵敏度线性良好；Yang和Zhang[24]合成了TiO₂/CdS复合材料湿度传感器，其响应时间（tp/tc）为7/5秒，迟滞效应约为3.5%，重复性和稳定性优异；Wang等人[25]制备了壳聚糖/氧化石墨烯/SnO₂复合材料的阻抗型湿度传感器，该复合材料的特殊结构增加了比表面积，传感器性能表现出72683%的高响应率和8/8秒的快速响应时间（tp/tc）。

在各种SMO材料中，氧化亚铜（Cu₂O）具有成本效益高、无毒、稳定性好、易于大规模生产以及优异的吸附活性等优点[26]。常见的Cu₂O制备方法包括物理沉积和化学沉积[27]、[28]、热氧化[29]以及溶胶-凝胶工艺[30]。这些方法可用于制备不同的Cu₂O结构，如纳米颗粒、纳米片、纳米线、纳米立方体、中空管等[31]、[32]、[33]。因此，Cu₂O被广泛应用于催化剂、超级电容器、太阳能电池、电池和传感器[34]、[35]、[36]、[37]、[38]，尤其因其高表面活性和氧气吸附能力而常用于气体传感器、湿度传感器和葡萄糖传感器等[39]、[40]、[41]、[42]。

在本研究中，首先在紫外激光诱导的石墨烯基底（ULIG）上镀覆铜（Cu）薄膜，然后通过多次激光扫描在Cu薄膜表面形成Cu₂O/ULIG复合材料作为传感器的检测层。通过SEM、XRD、XPS、FTIR和精密功率计分别分析了该复合材料的表面形态、晶体结构、化学状态、官能团、润湿性和电性能。同时研究了传感器的灵敏度、响应时间（tp/tc）、迟滞效应和长期稳定性。该传感器的优点包括体积小、信号采集方便、制造简单、成本低廉、柔性强以及性能优异。此外，所开发的传感器还被应用于电风扇和电动直线舞台的非接触式开关中。

部分内容摘录

Cu₂O/ULIG复合材料的制备

图1展示了用于湿度传感器的Cu₂O/ULIG复合材料的制备过程。使用紫外（UV）激光在125 μm厚的聚酰亚胺（PI）薄膜上制备ULIG。激光参数包括散焦光斑尺寸200 μm、脉冲重复率100 kHz、激光功率2 W以及扫描速度120 mm/s。如图S1(a)所示，扫描方式为之字形，扫描距离为40 μm。ULIG的传感电极和接触电极面积分别为9 × 9 mm²和3 × 9 mm²。

ULIG和Cu/ULIG的性能

通过SEM观察了电镀2.5分钟的ULIG和Cu/ULIG的横截面形态。激光照射后，图3(a)中残留的PI薄膜和ULIG的厚度分别约为15 μm和62.5 μm；电镀后，图3(b)中Cu和ULIG的厚度分别约为7.5 μm和55 μm。通过EDS分析图3(c)可知，Cu/ULIG的成分中Cu的质量百分比为94.14%，Zn的质量百分比为5.86%。

结论

本研究开发了一种高性能的Cu₂O/ULIG基湿度传感器，适用于非接触式开关应用。经过20次激光扫描的Cu₂O/ULIG传感器在11%至64%的湿度范围内表现出最高的灵敏度（1.919 kΩ/%RH），最大迟滞效应仅为3.1%，表明其具有较低的湿度检测迟滞。此外，该传感器具有优异的重复性和快速的响应时间（t_p/t_c为10.6秒和13.8秒）。

作者贡献声明

徐淑涵：资源获取、项目管理、方法论设计、资金筹措、概念构思。曾世峰：撰写与修订、初稿撰写、项目管理、方法论设计、实验研究、资金筹措、数据分析、概念构思。萧文泽：资源获取、项目管理、实验研究、概念构思。邱正祺：方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国立台北科技大学与泰国塔玛萨学院联合研究计划（合同编号NTUT-TU-114-01和MF 4/2568）以及台湾国家科学技术委员会（合同编号NSTC 114-2640-E-027-001和NSTC 114-2221-E-027-074-MY2）的资助。徐淑涵感谢泰国塔玛萨学院材料与等离子体技术卓越中心（CoE M@P Tech）的支持。

曾世峰于2011年在台湾国立交通大学获得机械工程博士学位。2004年至2018年间，他在台湾国家应用研究院仪器技术研究中心担任研究员。目前他在台湾国立台北科技大学机械工程系担任教授，研究方向包括智能传感器的开发。