铝掺杂氧化锌超薄纳米片架构的声表面波湿度传感器及其在皮肤水分检测中的应用

研究人员针对皮肤水分监测需求，开发了一种基于Al-ZnOUNSs/AlN/SAW架构的高性能湿度传感器。该传感器通过水热合成法制备三维Al-ZnOUNSs敏感层，结合磁控溅射AlN保护膜，实现了11 s/3 s的快速响应/恢复时间、30天稳定性及皮肤水分动态监测能力，为代谢评估、伤口愈合和化妆品功效检测提供了新工具。

　　

皮肤作为人体最大的器官，其水分含量直接反映代谢状态、伤口愈合进程甚至化妆品使用效果。然而，现有湿度传感器在响应速度（如传统电阻式需数分钟）和穿戴兼容性（如光学传感器体积庞大）上存在局限。更棘手的是，皮肤表面复杂的微环境要求传感器兼具化学稳定性（如耐汗液腐蚀）和超高灵敏度（检测指尖0.1%水分变化）。这些挑战催生了天津理工大学Cuiping Li团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究——他们创新性地将铝掺杂氧化锌超薄纳米片（Al-ZnOUNSs）与声表面波（SAW）技术融合，打造出一款能“读懂”皮肤秘密的微型传感器。

研究团队采用三项核心技术：1）磁控溅射在433.92 MHz SAW谐振器上沉积氮化铝（AlN）保护层（厚度优化至30分钟溅射），既防护铝电极又提升温度稳定性；2）水热法在AlN表面生长三维Al-ZnOUNSs架构，其氧空位缺陷密度经铝掺杂调控后增加37%；3）基于格罗特斯斯链式反应（Grotthuss mechanism）理论计算水分吸附能，揭示Al掺杂使水分子解离能降低0.8 eV的关键机制。

SAW谐振器优化
通过SEM证实AlN层可平整覆盖叉指电极（IDTs），30分钟溅射样品回波损耗最低（-18.6 dB），此时SAW传播损耗仅0.15 dB/波长。

Al-ZnOUNSs特性
比表面积达214 m²/g的纳米片呈现多孔立体结构，XPS显示铝掺杂使氧空位浓度提升至12.3%，为水分吸附提供更多活性位点。

传感性能
在10-70% RH范围内：

• 灵敏度达22.5 kHz/%RH（高于传统ZnO纳米线传感器17倍）
• 响应/恢复时间11 s/3 s（比同类SAW传感器快6倍）
• 30天后频率漂移<1.2%，且抗乙醇、丙酮干扰能力提升4倍

皮肤监测应用
传感器成功捕捉到：
1）饮水后指尖水分5分钟内上升2.3%
2）护手霜使用后手背水分持续增加8小时
3）伤口敷料下湿度变化与愈合进度呈线性相关（R²=0.94）

这项研究的意义在于：首次将Al-ZnOUNSs的界面化学调控与SAW的声学传感优势结合，不仅为可穿戴医疗设备提供了新范式（检测限达0.07 μg/cm²水分），更通过皮肤水分动态图谱为中医辨证（如“津液亏虚”量化）和个性化护肤开辟了客观评价路径。正如作者Mingji Li在讨论中指出，该技术未来可通过集成蓝牙模块实现“电子皮肤”的无线监测，其材料体系设计思路（缺陷工程+声学保护层）亦可拓展至其他生物标志物检测领域。