濕度傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)估，因此，市場(chǎng)對(duì)高可靠性、高靈敏度的濕度傳感器的需求越來(lái)越高。更重要的是，監(jiān)測(cè)人類呼吸和空氣質(zhì)量對(duì)于臨床診斷及呼吸道病原體在大氣中的擴(kuò)散評(píng)估至關(guān)重要。

濕度傳感器需要考量的關(guān)鍵因素包括魯棒性、測(cè)量精度、選擇性、檢測(cè)下限（LOD）以及快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間等。此外，在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮傳感器的緊湊性以及與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的兼容性。

壓電MEMS諧振器是滿足上述要求的良好候選技術(shù)，而聲表面波諧振器（SAWR）憑借其簡(jiǎn)單的制造工藝、直觀的傳感機(jī)制、高靈敏度以及測(cè)量穩(wěn)定性而吸引了極高的關(guān)注。氮化鋁（AlN）壓電薄膜可以濺射沉積，確保CMOS工藝兼容性。此外，AlN的高聲速、低損耗和化學(xué)穩(wěn)定性，有助于MHz - GHz范圍諧振頻率（f0）的開發(fā)，以及器件在潮濕條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，由于f0取決于電極的間距，因此可以在單個(gè)晶圓或芯片中實(shí)現(xiàn)多頻聲表面波諧振器。

與石英晶體微天平（QCM）等宏觀諧振器相比，基于SAWR的濕度傳感器顯示出卓越的靈敏度，因?yàn)槠涔ぷ黝l率更高、尺寸更小。不過(guò)，基于SWAR的濕度傳感器可能更容易受到高相對(duì)濕度（RH）的影響，因?yàn)檎承越橘|(zhì)在快速振動(dòng)運(yùn)動(dòng)下會(huì)引起很大阻尼，從而影響傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。

高相對(duì)濕度所引起的機(jī)械阻尼效應(yīng)會(huì)強(qiáng)烈影響存儲(chǔ)在諧振器中的聲能，降低器件的品質(zhì)因數(shù)（Q）。因此，需要根據(jù)相對(duì)濕度仔細(xì)考量工作頻率。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）的研究人員提出了一種多頻AlN-SAWR的單片集成工藝，包含三對(duì)叉指換能器（IDT）、反射器和共用延遲線（CDL）上的單個(gè)金屬化電極。將CDL放置在三對(duì)IDT之間的中心，有助于形成駐波和質(zhì)量靈敏度，構(gòu)成了SAWR傳感器的有源/感測(cè)區(qū)域。這種單片多頻SAWR系統(tǒng)可以對(duì)工作頻率和傳感器性能之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究。該研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器的可靠運(yùn)行，必須仔細(xì)考量敏感材料的量。先前報(bào)道了基于SAWR的濕度傳感器實(shí)現(xiàn)水分子吸附層的傳統(tǒng)涂層方法，例如旋涂、滴涂和浸涂等。盡管這些傳統(tǒng)方法有助于快速簡(jiǎn)便地形成敏感層，但是無(wú)法精確地控制敏感材料的量和沉積面積。

此外，由于咖啡環(huán)效應(yīng)，敏感材料會(huì)發(fā)生不希望的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致水分子的吸附不均勻，最終影響器件的性能。研究人員提出的電噴霧沉積（ESD）方法，克服了傳統(tǒng)涂層方法的局限性。

先前的研究采用了各種敏感材料，例如聚合物（PVA、PEI）、碳納米管以及金屬氧化物（TiO2）等。然而，這些材料通常表現(xiàn)出較差的機(jī)械耐久性，例如溶脹、磨損和剝落等。此外，在高相對(duì)濕度值（>?85% RH）下吸附的水分子的粘度通常會(huì)引起顯著的阻尼效應(yīng)，導(dǎo)致敏感輸出不可靠且沒有諧振峰值。這些問(wèn)題最終限制了傳感器的相對(duì)濕度感測(cè)范圍和工作壽命。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員重點(diǎn)聚焦了具有卓越機(jī)械性能的氧化石墨烯（GO）。

氧化石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在疏水性六元碳環(huán)上包含了豐富的親水性官能團(tuán)。因此，盡管氧化石墨烯的親水性官能團(tuán)可以在高相對(duì)濕度條件下捕獲許多水分子，但疏水性六元碳環(huán)為其結(jié)構(gòu)提供了剛性支撐，抑制了水分子的累積，使諧振器表現(xiàn)出最小的粘性效應(yīng)。

盡管氧化石墨烯是一種很有前途的濕度敏感材料，但之前報(bào)道的涂層或集成方法可能會(huì)降低氧化石墨烯的質(zhì)量和傳感器性能。為了保持氧化石墨烯的質(zhì)量并精確控制氧化石墨烯層的量和沉積面積，研究人員提出了一種電噴霧沉積方法，能夠通過(guò)高電壓產(chǎn)生納米或微米級(jí)尺寸的液滴。

此外，帶電氧化石墨烯液滴之間的強(qiáng)靜電排斥還抑制了團(tuán)聚和咖啡環(huán)效應(yīng)。在電噴霧沉積期間使CDL接地可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的區(qū)域控制和精確沉積。這種方法能夠支持各種傳感參數(shù)（例如測(cè)量靈敏度、Q值及噪聲等）的深入分析。為了演示這種傳感器潛在的衛(wèi)生應(yīng)用，研究人員將其應(yīng)用于非接觸式接近檢測(cè)和口罩檢查。

（a）由IDT、反射器和CDL組成的SAWR配置，（b）具有氧化石墨烯層的SAWR的制造工藝，（c）AlN層的XRD分析。

（a）電噴霧沉積裝置，包括注射泵、高壓電源和熱板，（b）CDL上氧化石墨烯薄膜的光學(xué)顯微圖像，（c）250 MHz SAWR的諧振峰隨氧化石墨烯噴涂時(shí)間的變化，（d）氧化石墨烯薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，（e）涂層氧化石墨烯薄膜的拉曼和（f）XRD分析，（g）用于測(cè)試SAWR濕度傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置，包括VNA、LabVIEW連接的PC和飽和鹽溶液室。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了傳感器在手指（分別包括裸露的手指、涂有保濕霜的手指和戴丁腈手套的手指）和傳感器之間不同距離、不同運(yùn)動(dòng)速度下的頻率響應(yīng)。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究介紹了多頻AlN SAWR的單芯片集成，由三對(duì)不同f0的IDT和一個(gè)CDL作為公共傳感區(qū)組成。此外，在傳感層的形成方法中引入了電噴霧沉積，超越了傳統(tǒng)的旋涂、滴涂和浸涂方法。沉積的氧化石墨烯復(fù)合物在電噴霧沉積后，在CDL上表現(xiàn)出均勻的結(jié)構(gòu)以及敏感區(qū)形成的選擇性。

通過(guò)本文所提出的集成工藝，研究人員分析了氧化石墨烯量對(duì)傳感器性能的影響。盡管具有更高f0和更大量氧化石墨烯的傳感器顯示出出色的靈敏度，但它們?cè)诟邼穸葪l件下也會(huì)引起Q值的嚴(yán)重降低。為了解決這一限制，研究人員根據(jù)暴露的相對(duì)濕度水平仔細(xì)選擇了工作頻率。

所開發(fā)的濕度傳感器能夠在各種相對(duì)濕度水平下保持高Q值，并將熱噪聲效應(yīng)降至最低。此外，該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量手指上的濕度場(chǎng)和呼吸產(chǎn)生的唾液滴，為人類健康監(jiān)測(cè)和衛(wèi)生應(yīng)用提供了一種極具前景的傳感器系統(tǒng)。

審核編輯：劉清