采用ZnO纳米颗粒薄膜设计的分形电极，适用于可穿戴设备中实现灵敏且稳定的电容式湿度传感

《Sensors and Actuators A: Physical》：Fractal-electrodes designed with ZnO nano-pebble film for sensitive and stable capacitive humidity sensing in wearable applications

湿度传感器研究：分形电极与ZnO纳米颗粒的柔性湿度传感器设计、性能及可穿戴应用验证。

　　近年来，随着柔性电子技术的快速发展，湿度传感技术逐渐拓展到多个新兴领域，如可穿戴健康监测、智能纺织品和精准农业等。传统湿度传感器通常采用固定的结构设计，如互指电极（IDE），其在灵敏度和响应速度方面存在一定局限。因此，研究者们开始探索新的电极结构，以提升传感器的整体性能。本文介绍了一种基于分形电极设计的新型柔性电容式湿度传感器，其使用氧化锌（ZnO）纳米鹅卵石作为敏感层材料，展现出优异的传感性能。这种传感器不仅在结构设计上具有创新性，而且在制造工艺上也具有显著优势，能够实现低成本、高效率的生产，同时保持良好的灵敏度和稳定性。

该传感器的制造过程采用了多步骤的工艺，首先通过热蒸发在聚酰亚胺（Kapton）基底上沉积一层纯度高达99.99%的铜膜，随后利用1064 nm的Nd:YAG激光器进行激光刻蚀，以实现分形电极的精确图案化。分形结构因其显著增加的有效表面积和优化的电场分布，相较于传统的互指电极具有更高的电荷存储能力和更大的面积电容。这使得分形电极在湿度变化时能够产生更强的电容响应，从而提高了传感器的整体灵敏度。

在敏感层的制备过程中，研究团队采用了改进的水热法合成ZnO纳米鹅卵石。这种方法具有高产率、操作简便、成本低廉、形态一致性好、尺寸分布均匀以及与低温工艺兼容等优点。具体而言，将0.02 mol的醋酸锌二水合物和0.014 mol的柠檬酸一水合物溶解在由乙醇和去离子水组成的混合溶剂中，随后加入10 M的氢氧化钠溶液以调节pH值至12.6，形成白色悬浮液。该悬浮液在Teflon衬里的不锈钢高压釜中进行水热处理，温度为160°C，持续时间为20小时。处理完成后，将产物自然冷却至室温，并通过真空过滤收集沉淀物。之后，使用去离子水与乙醇的混合液（体积比为1:5）进行洗涤，以去除未反应的物质和有机残留物。最后，将产物在500°C下进行煅烧处理，加热速率为5°C/min，以提升ZnO纳米结构的结晶度和相纯度。

为了进一步提高ZnO薄膜的附着力和均匀性，研究团队还使用了α-松油醇和乙基纤维素作为粘合剂和分散剂。将1克合成的ZnO粉末逐步分散到含有α-松油醇（纯度≥98%）和1 mM乙基纤维素的溶液中，通过持续的磁力搅拌和超声波辅助分散，确保ZnO纳米颗粒的均匀分布。混合均匀后，对混合物进行额外的1小时均质化处理，以获得稳定的、均匀的凝胶状浆料。该浆料随后通过丝网印刷技术沉积在分形电极上，并在100°C下进行30分钟的热处理，以促进溶剂蒸发和薄膜固化。

为了评估ZnO纳米鹅卵石的结构和形貌特性，研究团队使用了X射线衍射（XRD）和高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM）进行分析。XRD结果表明，合成的ZnO纳米鹅卵石具有六方晶系的纤锌矿结构，与标准的P63mc空间群（JCPDS: 36-1451）一致。此外，通过线性拟合晶粒尺寸和应变数据，计算出ZnO纳米结构的平均晶粒尺寸为57.7 nm，微应变约为0.0013，表明其具有良好的结晶度和最小的晶格畸变。HRSEM图像显示，ZnO纳米鹅卵石具有均匀分布的纳米级颗粒结构，尺寸范围为100至500 nm，且在电极表面保持良好的形态稳定性。EDX分析进一步确认了ZnO粉末中锌和氧元素的均匀分布，同时表明有机粘合剂在热处理后已有效去除，从而验证了ZnO层的高纯度。

在电学性能方面，该传感器在环境恒温恒湿箱中进行了测试，以确保其在不同湿度条件下的稳定性和重复性。测试频率范围从20 Hz到100 kHz，覆盖了广泛的电容响应范围。结果显示，该传感器在1 kHz时表现出最佳的性能，其在90%相对湿度下的灵敏度达到1008.06%，具有较低的滞后效应（2.13%）和较快的响应时间（57秒）和恢复时间（38秒）。此外，传感器在15天的长期测试中表现出良好的稳定性，其电容值在不同湿度条件下保持一致，证明了其在实际应用中的可靠性。

为了进一步验证其在现实环境中的适用性，研究团队还进行了口呼吸测试。在15 cm的固定距离下，传感器能够准确捕捉呼吸过程中湿度的动态变化，显示出良好的响应能力和重复性。测试结果表明，该传感器在监测人体呼吸模式方面具有显著优势，能够分辨出呼吸过程中的湿度波动，其响应和恢复时间与已有研究中的结果相似，表明其在可穿戴呼吸监测设备中的潜力。

在分析传感器的湿度响应机制时，研究团队发现ZnO纳米鹅卵石的结构特点使其在低湿度条件下表现出较强的电荷捕获能力，而在高湿度条件下则能够促进水分子的吸附和解离，形成移动的质子并增强离子导电性。这种机制使得传感器在不同湿度范围内能够实现高效的电容变化，从而提升其灵敏度。此外，ZnO纳米鹅卵石的高表面积和缺陷密度也有助于增强界面极化和水分子吸附能力，进一步优化其湿度传感性能。

为了更全面地评估该传感器的性能，研究团队将其与多种已报道的ZnO基湿度传感器进行了对比。结果显示，该传感器在灵敏度、响应时间、恢复时间以及滞后效应方面均表现出色，尤其在1 kHz的频率下，其性能接近甚至优于一些复杂的ZnO结构和复合材料传感器。同时，该传感器的制造过程相对简单，无需复杂的掺杂或后处理步骤，这降低了生产成本并提高了可扩展性。

综上所述，该研究提出了一种基于分形电极设计的新型柔性电容式湿度传感器，其使用ZnO纳米鹅卵石作为敏感材料，不仅实现了高性能的湿度监测，还具备良好的可穿戴特性。该传感器在制造工艺、性能表现和应用潜力方面均表现出色，为未来可穿戴湿度传感系统提供了重要的技术支撑。此外，其在实际应用中的验证，如口呼吸监测，进一步证明了其在人体健康监测和智能纺织品等领域的广阔前景。