聚乙烯氧化物-钛酸钠复合材料：一种具有高选择性、宽检测范围和低滞后特性的湿度传感材料及其传感机制

《IEEE Sensors Journal》：Polyethylene Oxide–Sodium Titanate Composite: A Highly Selective Humidity Sensing Material With Wide Detection Range and Low Hysteresis, and Its Sensing Mechanism

PEO-NTO复合材料作为新型湿度传感器，实现宽范围（3%-98% RH）检测和低滞后性（1.2% RH），其表面改性及分级结构促进水分吸附/脱附，PEO层过滤干扰气体（如NO2）并提升长期稳定性（60天+），机制分析显示湿度变化下传感机制从电荷转移向质子传导转变，并成功应用于非接触式湿度和呼吸监测。

　　

摘要：

开发具有宽检测范围和极低滞后现象的高选择性湿度传感器仍然是实际应用中的关键挑战。在本研究中，聚氧化乙烯-钛酸钠（PEO-NTO）复合材料被证明是一种出色的湿度传感材料。我们发现，聚氧化乙烯（PEO）的表面改性以及NTO的层次结构协同作用促进了水分子的吸附/解吸过程，从而实现了宽检测范围（相对湿度3%–98%）和显著降低的滞后现象（从纯NTO的10.8% RH降至PEO-NTO的1.2% RH）。PEO还充当过滤层，防止NO2等常见干扰气体的吸附，确保了更高的选择性和长期稳定性（超过60天）。此外，通过电化学阻抗分析系统地研究了其传感机制。随着相对湿度的增加，PEO-NTO复合材料从基于水吸附诱导的电荷转移机制转变为基于质子传导的机制。最后，PEO-NTO被应用于非接触式湿度检测和呼吸模式监测。

引言

随着智能和自动化技术的快速发展，湿度传感器在各个领域得到了广泛应用，包括人机交互界面、医疗系统和电子设备制造[1]、[2]。近年来，出现了多种基于不同工作原理的湿度传感器：电容式[3]、电阻式[4]、场效应晶体管[5]、表面声波[6]、石英晶体微天平[7]、自供电电化学型[8]和离子梯度[9]。然而，现有的湿度传感器仍面临一些主要挑战，这些挑战限制了它们的广泛应用。首先，大多数湿度传感器的检测范围有限，通常为10%–90%相对湿度（RH），这阻碍了它们在需要超低或高湿度精确度的场景中的使用[10]、[11]。一个典型的例子是植入式医疗设备，这些设备需要将湿度水平维持在5000 ppm以下（生理温度下的-8.1% RH），以保证长期运行的可靠性[12]。同样，在呼吸诊断中，鼻呼吸（-88% RH）和口呼吸（-95% RH）的呼出水分含量存在显著差异，这使得可以无创地检测过敏性鼻炎、睡眠呼吸暂停和哮喘等疾病[13]、[14]。然而，大多数传感器无法可靠地区分这些细微的变化。其次，传感器的一个关键问题是滞后现象，即强水结合位点会导致不可逆的吸附/解吸[15]。例如，据报道，日常使用的碳墨水传感器的滞后现象为7.5% RH[16]。滞后现象会影响湿度变化时的测量准确性，因此必须尽可能将其降至最低。此外，实际应用环境中存在各种干扰气体，因此良好的选择性也非常重要。