微電子所在納米森林的濕度傳感器應用研究方面取得新進展

　　近日，微電子所新技術開發部物聯網技術研發實驗室的毛海央團隊和集成電路先導工藝研發中心的周娜老師合作在納米森林的MEMS傳感器集成應用研究方面取得重要進展。  

　　呼吸是支持人類生命活動中的重要過程。許多疾病和健康問題，例如：心臟病、肺炎、支氣管炎、呼吸暫停綜合征等，都會引起呼吸頻率和深度的變化。濕度傳感器可以通過監測呼吸時鼻腔附近空氣的濕度變化來反映人體的呼吸狀態。然而，傳統的MEMS濕度傳感器受限于稀缺的高質量濕敏材料和單一的器件結構，其靈敏度和精度均無法滿足呼吸狀態監測的需求。此外，當器件在高濕度環境中長時間使用時，水汽的凝結還會導致傳感器的恢復時間延長，導致無法識別每次呼吸狀態。 

　　為了解決以上問題，團隊提出了可用于呼吸狀態監測的三層結構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成。該傳感器通過原位集成納米森林作為濕敏材料，大幅提高了檢測靈敏度；參比電容的使用降低了環境干擾和寄生電容對測試結果的影響；熱敏電阻用于測試環境溫度為傳感器提供溫度補償依據，減小了檢測誤差；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，縮短恢復時間。利用該傳感器高靈敏度、響應/恢復速度快、高精度和抗干擾能力強的特點，進一步開發了具有無線傳輸功能的運動狀態監測模塊，當將其置于口罩中時，就能夠通過呼吸數據來區分佩戴者的運動狀態。在機器學習算法的輔助下，該傳感器對佩戴者不同運動狀態的識別準確率高達94%。該傳感器有望在消費電子和生物醫療領域獲得廣泛應用。 

　　基于本研究成果的論文“A nanoforest-based humidity sensor for respiration monitoring”近期發表在《微系統與納米工程》期刊上（Microsystems & Nanoengineering, DOI: 10.1038/s41378-022-00372-4），新技術開發部物聯網技術研發實驗室博士研究生陳貴東為該文章的第一作者，新技術開發部物聯網技術研發實驗室毛海央研究員和集成電路先導工藝研發中心周娜高級工程師為該文章的共同通訊作者。 

　　該項研究得到了國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃和中國科學院青促會項目等的支持。

圖1 集成納米森林的MEMS濕度傳感器結構示意圖和SEM圖