研究背景
在过去的几年里，人们对湿度传感器越来越感兴趣，它是应用广泛、不可或缺的重要传感器特别是对于柔性湿度传感器，其灵活性和薄膜形态对于粘附在各种表面上是很有优势的。这些优势大大拓展了其应用领域，包括但不限于作为可穿戴设备监测人体呼吸频率和皮肤湿度，或作为包装、生活环境和农业土壤的湿度监测设备。根据输出信号和传感机制，柔性湿度传感器通常可分为阻抗型、电容型、电阻型等。其中，柔性电阻式湿度传感器因其制造工艺简单、信号采集简单、成本低而被广泛研究。为了满足实际应用的多样化需求，实现低成本和大规模制造具有快速响应、高灵敏度和宽感应范围的柔性湿度传感器是至关重要的。湿度感应层的主要制造方法包括滴铸、旋涂和印刷。然而，滴铸法生产的传感层的厚度和均匀性总是难以控制，而旋涂法则不适合大规模制造传感器。此外，这两种方法通常很费时，而且不能实现图案化制造。相比之下，丝网印刷方法能够实现工业化、大规模生产、低成本和图案化。这使得它成为制备一次性传感器的理想技术，用于智能包装中的湿度监测器、人类呼吸速率监测器和非接触式湿度传感器阵列等应用。此外，完全印刷的柔性湿度传感器将进一步降低制造成本并简化生产过程然而，最近关于印刷式湿度传感器的报道仍然显示出某些局限性，如低灵敏度、狭窄的湿度感应范围和缓慢的响应速度，这限制了它们的实际应用。此外，在传感器制造过程中使用的参数对其性能的相关研究非常罕见，包括数字间电极对的数量和形状，以及湿度感应层的厚度和面积。了解这些参数的影响对千为特定的应用选择合适的制造参数，匹配应用要求，并最终降低成本至关重要。
活性材料的设计是提高印刷型柔性湿度传感器传感性能的一个有效方法。根据以往的报道各种活性材料已被用于制造柔性电阻式湿度传感器，主要包括碳纳米材料、导电聚合物、纤维素、半导体金属氧化物 (SMO)等。尽管大多数以碳纳米材料、导电聚合物和纤维素作为湿度传感材料制备的柔性湿度传感器具有良好的灵活性和稳定性，但这些传感器通常表现出响应/恢复时间长，响应小，不适合需要快速响应的应用。相反，SMO 通常表现出对湿度的高灵敏度和快速响应，使其成为柔性电阻式湿度传感器的有前途的传感材料。
研究成果
利用印刷技术开发高性能的湿度传感器对物联网、农业、人类保健和存储环境等领域的各种应用有着巨大的意义。然而，目前印刷的湿度传感器的反应时间长，灵敏度低，限制了其实际应用。武汉大学吴伟教授团队采用丝网印刷方法制作了一系列高传感性能的柔性电阻式湿度传感器，并采用六方氧化钨(h-WO3)作为湿度传感材料，因为其成本低、化学吸附能力强、湿度传感能力优秀。所制备的印刷传感器在较宽的相对湿度(RH)范围内(11-95%RH)表现出高灵敏度良好的可重复性、出色的灵活性、低滞后性和快速响应 (1.5 秒)。此外，湿度传感器的灵敏度可以通过改变传感层和数字间电极的制造参数来轻松调整，以满足特定应用的不同要求印刷的柔性湿度传感器在各种应用中拥有巨大的潜力，包括可穿戴设备、非接触测量和包装打开状态监测。相关研究以“All-printed， Fast Response Flexible Humidity Sensor Based on Hexagonal-WO3 Nanowires for Multifunctional Applications”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1 Illustration of the synthesis process of h-WO3.
Figure 2 XPS full scan spectrum.
Figure 3 (a) The resistance response of humidity sensors based on the 1.4 h-WO3, 1.7 h-WO3, and 2.0 h-WO3. (b) Dynamic resistance response curve of the humidity sensor in the range of 11-95% RH. (c) Dynamic response and recovery characteristics of the printed humidity sensor. (d) Hysteresis characteristics of the printed humidity sensor in the range of 11-95% RH. (e) Repeatability performance of the printed humidity sensor exposed to 33%, 57%, 75%, and 95% RH from 11% RH. (f) Flexibility test of the printed humidity sensor. Sensitivity and thickness (g), resistance response at different RH level (h), the response/recovery time (i) of sensor 1, sensor 2, and sensor 3.
Figure 4 (a) Schematic diagram of different styles of printed humidity sensors. (b) Resistance response of sensor 1, 6, 7, 8, 9, 10 at different RH. Humidity sensitivity of sensor 1, 6, 7, and 8 (c) and sensor 1, 9, and 10 (d) in the RH range of 11-95% RH. (e) Dynamic resistance changes of sensor 1, 6, 7, 8, 9, and 10 at 11% RH.
Figure 5 (a) Sensor response to different breathing rates and (b) breathing ways. (c) Sensor response to different distances between a fingertip and the sensor. (d) Application demonstration of non-contact switch. (e) Application demonstration of medicine packaging opening condition monitoring. (f) Photograph of the printed sensor array and the 3D mapping test result.
Figure 6 Schematic of the humidity sensing mechanism of the printed flexible h-WO3 humidity sensors.
总结与展望
总之，作者通过丝网印刷方法成功开发了一系列基于h-WO3 纳米线的高性能柔性湿度传感器。印刷的传感器在 11-95%RH 的宽广湿度感应范围内表现出高感应响应，快速响应时间(1.5 s)，低滞后，突出的灵活性和稳定性。研究了反应溶液的不同pH值对合成的h-WO3样品的形态和湿度感应性能的影响。还详细研究了不同制造参数对传感性能的影响，如印刷传感层的厚度和面积，以及数字间电极对的数量和形状。此外，所制作的传感器被应用于人体呼吸速率监测、非接触式开关、智能医药包装和大面积湿度测量的传感器阵列，显示了其在各个应用领域的巨大潜力。
文献链接
All-printed， Fast Response Flexible Humidity Sensor Based on Hexagonal-WO3 Nanowires for Multifunctional Applications
https://doi.org/10.1002/adma.202304420
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