近日,微電子所健康電子研發(fā)中心黃成軍-毛海央研究員團隊在納米森林傳感器及其應用研究方面取得新進展。

呼吸是支持人類生命活動的重要過程。呼吸頻率和深度是反映運動強度的關鍵指標,呼吸模式與心肺功能密切相關。通過呼吸檢測,可以實時了解運動者的身體狀態(tài),避免過度運動或運動不足,還可以評估運動者的心肺健康狀況,為制定個性化運動計劃提供依據(jù)。然而,傳統(tǒng)的濕度傳感器受限于其使用的結構和材料,存在靈敏度不高等不足。另外,當前多種應用于呼吸檢測的濕度傳感器依靠信號頻率差異來分辨呼吸狀態(tài),這限制了它們識別更多行為種類的能力。

為了解決以上問題,團隊開發(fā)了一種納米森林濕度傳感器,利用納米森林的大表面積、高孔隙率和超親水特點,使?jié)穸葌鞲衅骶邆淞隧憫舫鰵怏w中微弱濕度變化的能力。同時,器件內置加熱電阻/熱敏電阻,不僅可為傳感器提供適當?shù)墓ぷ鳒囟?還可實時監(jiān)測呼吸氣流溫度,通過溫度補償使響應更為準確。基于該新型濕度傳感器,團隊進一步結合機器學習算法構建了運動識別智能系統(tǒng),可實現(xiàn)對9種不同運動狀態(tài)的高準確率識別。該工作展現(xiàn)出納米森林濕度傳感器具有廣闊的應用潛力,也為智能可穿戴設備和健康監(jiān)測等技術領域的發(fā)展提供了一種新的技術方案。

圖1?納米森林濕度傳感器及其運動識別智能應用

基于該研究成果的論文“An intelligent humidity sensing system for human behavior recognition”近期發(fā)表在國際著名期刊Microsystems & Nanoengineering上(https://doi.org/10.1038/s41378-024-00863-6),微電子所博士研究生楊華彬為該文章的第一作者,健康電子中心毛海央研究員和先導中心周娜高級工程師為該文章的通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科學院青促會項目等支持。

?近年來,團隊在相關項目的支持下圍繞納米森林傳感器開展了大量研究,相關成果先后發(fā)表在ACS Sensors (2020), Sensors and Actuators B: Chemical (2020/2024), Advanced Functional Materials (2021), IEEE Electron Device Letters(2021/2022/2024), IEEE Transaction on Electron Device(2023/2025), Microsystems & Nanoengineering (2022/2025), ACS Applied Materials & Interfaces(2023), Nanoscale (2024), Science China Materials(2025)等相關領域知名期刊上。

圖2 團隊基于常規(guī)半導體工藝開發(fā)的多樣性納米森林結構,具有襯底不受限、表面可改性特點,適用于光學、氣濕敏、生化傳感器等