纳米森林的湿度传感器应用研究方面新进展

      近日，微电子所新技术开发部物联网技术研发实验室的毛海央团队和集成电路先导工艺研发中心的周娜老师合作在纳米森林的MEMS传感器集成应用研究方面取得重要进展。

      呼吸是支持人类生命活动中的重要过程。许多疾病和健康问题，例如：心脏病、肺炎、支气管炎、呼吸暂停综合征等，都会引起呼吸频率和深度的变化。湿度传感器可以通过监测呼吸时鼻腔附近空气的湿度变化来反映人体的呼吸状态。然而，传统的MEMS湿度传感器受限于稀缺的高质量湿敏材料和单一的器件结构，其灵敏度和精度均无法满足呼吸状态监测的需求。此外，当器件在高湿度环境中长时间使用时，水汽的凝结还会导致传感器的恢复时间延长，导致无法识别每次呼吸状态。

    为了解决以上问题，团队提出了可用于呼吸状态监测的三层结构MEMS湿度传感器，该器件由湿敏电容、参比电容、微加热器和热敏电阻四部分构成。该传感器通过原位集成纳米森林作为湿敏材料，大幅提高了检测灵敏度；参比电容的使用降低了环境干扰和寄生电容对测试结果的影响；热敏电阻用于测试环境温度为传感器提供温度补偿依据，减小了检测误差；微加热器加电压后温度升高，可加速纳米森林上水分子的解吸附，缩短恢复时间。利用该传感器高灵敏度、响应/恢复速度快、高精度和抗干扰能力强的特点，进一步开发了具有无线传输功能的运动状态监测模块，当将其置于口罩中时，就能够通过呼吸数据来区分佩戴者的运动状态。在机器学习算法的辅助下，该传感器对佩戴者不同运动状态的识别准确率高达94%。该传感器有望在消费电子和生物医疗领域获得广泛应用。

      基于本研究成果的论文“A nanoforest-based humidity sensor for respiration monitoring”近期发表在《微系统与纳米工程》期刊上（Microsystems & Nanoengineering, DOI: 10.1038/s41378-022-00372-4），新技术开发部物联网技术研发实验室博士研究生陈贵东为该文章的第一作者，新技术开发部物联网技术研发实验室毛海央研究员和集成电路先导工艺研发中心周娜高级工程师为该文章的共同通讯作者。

  该项研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划和中国科学院青促会项目等的支持。

图1 集成纳米森林的MEMS湿度传感器结构示意图和SEM图

图2 集成纳米森林的呼吸状态监测湿度传感器测试结果