近日，微電子所新技術(shù)開(kāi)發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的毛海央團(tuán)隊(duì)和集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心的周娜老師合作在納米森林的MEMS傳感器集成應(yīng)用研究方面取得重要進(jìn)展。  

　　呼吸是支持人類生命活動(dòng)中的重要過(guò)程。許多疾病和健康問(wèn)題，例如：心臟病、肺炎、支氣管炎、呼吸暫停綜合征等，都會(huì)引起呼吸頻率和深度的變化。濕度傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)呼吸時(shí)鼻腔附近空氣的濕度變化來(lái)反映人體的呼吸狀態(tài)。然而，傳統(tǒng)的MEMS濕度傳感器受限于稀缺的高質(zhì)量濕敏材料和單一的器件結(jié)構(gòu)，其靈敏度和精度均無(wú)法滿足呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。此外，當(dāng)器件在高濕度環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，水汽的凝結(jié)還會(huì)導(dǎo)致傳感器的恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別每次呼吸狀態(tài)。 

　　為了解決以上問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了可用于呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)的三層結(jié)構(gòu)MEMS濕度傳感器，該器件由濕敏電容、參比電容、微加熱器和熱敏電阻四部分構(gòu)成。該傳感器通過(guò)原位集成納米森林作為濕敏材料，大幅提高了檢測(cè)靈敏度；參比電容的使用降低了環(huán)境干擾和寄生電容對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；熱敏電阻用于測(cè)試環(huán)境溫度為傳感器提供溫度補(bǔ)償依據(jù)，減小了檢測(cè)誤差；微加熱器加電壓后溫度升高，可加速納米森林上水分子的解吸附，縮短恢復(fù)時(shí)間。利用該傳感器高靈敏度、響應(yīng)/恢復(fù)速度快、高精度和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了具有無(wú)線傳輸功能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)將其置于口罩中時(shí)，就能夠通過(guò)呼吸數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輔助下，該傳感器對(duì)佩戴者不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)94%。該傳感器有望在消費(fèi)電子和生物醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 

　　基于本研究成果的論文“A nanoforest-based humidity sensor for respiration monitoring”近期發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》期刊上（Microsystems & Nanoengineering, DOI: 10.1038/s41378-022-00372-4），新技術(shù)開(kāi)發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室博士研究生陳貴東為該文章的第一作者，新技術(shù)開(kāi)發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室毛海央研究員和集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心周娜高級(jí)工程師為該文章的共同通訊作者。 

　　該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)項(xiàng)目等的支持。

圖1 集成納米森林的MEMS濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和SEM圖