室溫可穿戴氣體傳感器制造及應(yīng)用綜述

近年來，信息時代的爆炸式發(fā)展，使物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)和云計算吸引了全世界的廣泛關(guān)注。智能氣體傳感器已成為人機(jī)交互（HMI）的重要接口，以及與外界交互的重要手段。

氣體傳感器在作為HMI接口時，需要具備可穿戴以及皮膚貼合的特性，以感知人體及周圍環(huán)境的各種生理信號。常見的氣體傳感器通常由傳統(tǒng)襯底（包括玻璃、陶瓷管、硅、剛性傳感材料和電極）制成，這些材料往往缺乏柔性和機(jī)械順應(yīng)性以響應(yīng)人體運動。因此，傳統(tǒng)的剛性氣體傳感器的彎曲性能和透氣性較差，限制了人體活動，導(dǎo)致佩戴舒適性較差。此外，傳統(tǒng)的氣體傳感器還需要依賴高溫工作，這阻礙了可穿戴氣體傳感系統(tǒng)的制造，并且在檢測易燃易爆氣體時，會不可避免地增加發(fā)生爆炸或火災(zāi)的潛在風(fēng)險。

最近報道的可穿戴氣體傳感器為解決上述挑戰(zhàn)提供了一種有效的方案。隨著工業(yè)化和城市化的進(jìn)程加速，有害氣體排放對人類健康構(gòu)成了重大威脅。例如，過度暴露于氨氣會對呼吸器官和眼睛造成不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重刺激，長期暴露于含甲醛的空氣中會導(dǎo)致肺功能下降和慢性肺炎，而長時間暴露于低濃度的氮氧化物會誘發(fā)慢性咽炎和支氣管炎。

因此，在日常生活中使用便攜式可穿戴氣體傳感器即時檢測周圍的有害氣體正變得至關(guān)重要。不僅如此，有些氣體還可以用作某些疾病的生物標(biāo)志物，實現(xiàn)人體健康狀況的即時監(jiān)測、診斷及治療。

根據(jù)應(yīng)用場景和實際呼吸中檢測到的氣體類型，可穿戴氣體傳感器可用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、智能家居、工業(yè)安全、食品安全以及公共安全等領(lǐng)域。此外，可穿戴氣體傳感器體積小，可以舒適地粘附在人體皮膚上，并能隨著人體運動而變形，不改變傳感器的響應(yīng)性能。

因此，選擇并設(shè)計柔性襯底及敏感材料，已成為提高氣體傳感器室溫傳感性能及機(jī)械柔性的當(dāng)務(wù)之急。與傳統(tǒng)剛性襯底相比，新興的聚合物和織物基材不僅表現(xiàn)出可彎曲和可拉伸的特性，而且重量輕、價格低廉。

為了實時檢測人體生理信號以及監(jiān)測周圍環(huán)境的潛在威脅，離子液體、聚合物、碳基納米材料、二維半導(dǎo)體材料以及其它柔性敏感材料可以作為柔性傳感材料提供有吸引力的解決方案。這些材料憑借卓越的柔韌性和室溫下的高敏感特性相比其它材料更具優(yōu)勢。此外，相較傳統(tǒng)的氣體傳感器，可穿戴氣體傳感器還具有更低的功耗。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院劉方猛教授研究團(tuán)隊近日在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了一篇題為“Room Temperature Wearable Gas Sensors for Fabrication and Applications”的綜述，全面總結(jié)了室溫下具有卓越氣體傳感性能的材料及其制備。文章還討論了室溫工作的可穿戴氣體傳感器的各種應(yīng)用和未來前景。

室溫工作的可穿戴氣體傳感器的傳感機(jī)理、制造及應(yīng)用

室溫工作的可穿戴氣體傳感器的傳感機(jī)理

目前，氣體傳感器有四種主要類型，包括光學(xué)式氣體傳感器、機(jī)械式氣體傳感器、電磁式氣體傳感器和電學(xué)/電化學(xué)式氣體傳感器，它們能夠響應(yīng)目標(biāo)氣體分子和傳感器之間的相互作用而產(chǎn)生不同的信號。其中，基于電學(xué)/電化學(xué)原理的氣體傳感器可以通過監(jiān)測氣體分子與傳感器反應(yīng)時的電學(xué)特性變化來檢測目標(biāo)氣體的濃度。本文通過氧吸附模型、直接吸附模型、質(zhì)子轉(zhuǎn)移模型和離子傳導(dǎo)模型對其傳感機(jī)理進(jìn)行了解釋。

柔性敏感材料

氣體傳感器的柔性，已成為可穿戴智能設(shè)備的應(yīng)用瓶頸。因此，敏感材料和襯底的機(jī)械柔性吸引了廣泛研究。本文簡要介紹了被用作柔性氣敏材料的離子液體、聚合物、碳基納米材料以及過渡金屬化合物，以取代智能設(shè)備應(yīng)用中的傳統(tǒng)剛性材料。

碳基納米材料制備示例

二維半導(dǎo)體納米材料制備示例

可穿戴氣體傳感器的廣泛應(yīng)用

與傳統(tǒng)的剛性氣體傳感器相比，可穿戴氣體傳感器提供了更靈活的裝配選擇，不需要像剛性傳感器那樣限制于固定的位置?？纱┐鳉怏w傳感器可以無縫貼合人體皮膚，也可以作為電子織物集成在衣服中，能夠隨人體運動自由彎曲，而不會改變氣體傳感性能。重要的是，可穿戴氣體傳感器可以即時檢測周圍的環(huán)境信息和人體的生理信號，通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)或深度學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)，能夠在檢測到有害氣體濃度或呼吸標(biāo)志物超標(biāo)時第一時間發(fā)出警告。此外，憑借其舒適性和便攜性，可穿戴氣體傳感器能夠全天佩戴，實時監(jiān)測。因此，可穿戴氣體傳感器已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、智能家居、食品安全甚至公共安全等需要實時監(jiān)測和即時警報的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

可穿戴氣體傳感器的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用示例

可穿戴氣體傳感器的食品安全應(yīng)用示例

下一步研究展望

盡管可穿戴氣體傳感器擁有廣泛的新機(jī)遇，但在它們獲得實際應(yīng)用之前，仍有許多問題有待解決。首先，與在高溫工作的材料相比，可穿戴氣體傳感器中使用的敏感材料通常表現(xiàn)出更低的響應(yīng)和更長的響應(yīng)/恢復(fù)時間。因此，迫切需要研究現(xiàn)有敏感材料的摻雜和結(jié)構(gòu)，以提高其在室溫工作下的傳感性能。此外，Ti3C2Tx和PANI等室溫傳感材料的穩(wěn)定性相對較差，并且易氧化，限制了它們在可穿戴氣體傳感器中的進(jìn)一步應(yīng)用。其次，在器件制造方面，確保氣體傳感性能在大機(jī)械形變下的穩(wěn)定性，實現(xiàn)小型化和集成化，以滿足可穿戴智能設(shè)備的要求至關(guān)重要。最后，開發(fā)與大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合的氣體傳感應(yīng)用是極具前景的研究方向，可以加速可穿戴氣體傳感器的集成化、數(shù)字化和智能化。

審核編輯：劉清