氧化石墨烯修饰的多频SAW湿度传感器助力医疗诊断和卫生应用

湿度传感器现已广泛应用于环境监测、医疗诊断和室内空气质量评估，因此，市场对高可靠性、高灵敏度的湿度传感器的需求越来越高。更重要的是，监测人类呼吸和空气质量对于临床诊断及呼吸道病原体在大气中的扩散评估至关重要。

湿度传感器需要考量的关键因素包括鲁棒性、测量精度、选择性、检测下限（LOD）以及快速响应/恢复时间等。此外，在实际应用中还需要考虑传感器的紧凑性以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性。

压电MEMS谐振器是满足上述要求的良好候选技术，而声表面波谐振器（SAWR）凭借其简单的制造工艺、直观的传感机制、高灵敏度以及测量稳定性而吸引了极高的关注。氮化铝（AlN）压电薄膜可以溅射沉积，确保CMOS工艺兼容性。此外，AlN的高声速、低损耗和化学稳定性，有助于MHz - GHz范围谐振频率（f0）的开发，以及器件在潮湿条件下的稳定运行。此外，由于f0取决于电极的间距，因此可以在单个晶圆或芯片中实现多频声表面波谐振器。

与石英晶体微天平（QCM）等宏观谐振器相比，基于SAWR的湿度传感器显示出卓越的灵敏度，因为其工作频率更高、尺寸更小。不过，基于SWAR的湿度传感器可能更容易受到高相对湿度（RH）的影响，因为粘性介质在快速振动运动下会引起很大阻尼，从而影响传感器的稳定运行。

高相对湿度所引起的机械阻尼效应会强烈影响存储在谐振器中的声能，降低器件的品质因数（Q）。因此，需要根据相对湿度仔细考量工作频率。

据麦姆斯咨询报道，韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）的研究人员提出了一种多频AlN-SAWR的单片集成工艺，包含三对叉指换能器（IDT）、反射器和共用延迟线（CDL）上的单个金属化电极。将CDL放置在三对IDT之间的中心，有助于形成驻波和质量灵敏度，构成了SAWR传感器的有源/感测区域。这种单片多频SAWR系统可以对工作频率和传感器性能之间的关系进行详细研究。该研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

为了实现传感器的可靠运行，必须仔细考量敏感材料的量。先前报道了基于SAWR的湿度传感器实现水分子吸附层的传统涂层方法，例如旋涂、滴涂和浸涂等。尽管这些传统方法有助于快速简便地形成敏感层，但是无法精确地控制敏感材料的量和沉积面积。

此外，由于咖啡环效应，敏感材料会发生不希望的团聚现象，导致水分子的吸附不均匀，最终影响器件的性能。研究人员提出的电喷雾沉积（ESD）方法，克服了传统涂层方法的局限性。

先前的研究采用了各种敏感材料，例如聚合物（PVA、PEI）、碳纳米管以及金属氧化物（TiO2）等。然而，这些材料通常表现出较差的机械耐久性，例如溶胀、磨损和剥落等。此外，在高相对湿度值（> 85% RH）下吸附的水分子的粘度通常会引起显著的阻尼效应，导致敏感输出不可靠且没有谐振峰值。这些问题最终限制了传感器的相对湿度感测范围和工作寿命。为了克服这些挑战，研究人员重点聚焦了具有卓越机械性能的氧化石墨烯（GO）。

氧化石墨烯具有独特的结构优势，在疏水性六元碳环上包含了丰富的亲水性官能团。因此，尽管氧化石墨烯的亲水性官能团可以在高相对湿度条件下捕获许多水分子，但疏水性六元碳环为其结构提供了刚性支撑，抑制了水分子的累积，使谐振器表现出最小的粘性效应。

尽管氧化石墨烯是一种很有前途的湿度敏感材料，但之前报道的涂层或集成方法可能会降低氧化石墨烯的质量和传感器性能。为了保持氧化石墨烯的质量并精确控制氧化石墨烯层的量和沉积面积，研究人员提出了一种电喷雾沉积方法，能够通过高电压产生纳米或微米级尺寸的液滴。

此外，带电氧化石墨烯液滴之间的强静电排斥还抑制了团聚和咖啡环效应。在电喷雾沉积期间使CDL接地可以实现氧化石墨烯的区域控制和精确沉积。这种方法能够支持各种传感参数（例如测量灵敏度、Q值及噪声等）的深入分析。为了演示这种传感器潜在的卫生应用，研究人员将其应用于非接触式接近检测和口罩检查。

（a）由IDT、反射器和CDL组成的SAWR配置，（b）具有氧化石墨烯层的SAWR的制造工艺，（c）AlN层的XRD分析。

（a）电喷雾沉积装置，包括注射泵、高压电源和热板，（b）CDL上氧化石墨烯薄膜的光学显微图像，（c）250 MHz SAWR的谐振峰随氧化石墨烯喷涂时间的变化，（d）氧化石墨烯薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图，（e）涂层氧化石墨烯薄膜的拉曼和（f）XRD分析，（g）用于测试SAWR湿度传感器的实验装置，包括VNA、LabVIEW连接的PC和饱和盐溶液室。

实验测试了传感器在手指（分别包括裸露的手指、涂有保湿霜的手指和戴丁腈手套的手指）和传感器之间不同距离、不同运动速度下的频率响应。

总结来说，这项研究介绍了多频AlN SAWR的单芯片集成，由三对不同f0的IDT和一个CDL作为公共传感区组成。此外，在传感层的形成方法中引入了电喷雾沉积，超越了传统的旋涂、滴涂和浸涂方法。沉积的氧化石墨烯复合物在电喷雾沉积后，在CDL上表现出均匀的结构以及敏感区形成的选择性。

通过本文所提出的集成工艺，研究人员分析了氧化石墨烯量对传感器性能的影响。尽管具有更高f0和更大量氧化石墨烯的传感器显示出出色的灵敏度，但它们在高湿度条件下也会引起Q值的严重降低。为了解决这一限制，研究人员根据暴露的相对湿度水平仔细选择了工作频率。

所开发的湿度传感器能够在各种相对湿度水平下保持高Q值，并将热噪声效应降至最低。此外，该传感器可以准确测量手指上的湿度场和呼吸产生的唾液滴，为人类健康监测和卫生应用提供了一种极具前景的传感器系统。

审核编辑：刘清