氧化石墨烯修飾的多頻SAW濕度傳感器助力醫(yī)療診斷和衛(wèi)生應(yīng)用

濕度傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和室內(nèi)空氣質(zhì)量評估，因此，市場對高可靠性、高靈敏度的濕度傳感器的需求越來越高。更重要的是，監(jiān)測人類呼吸和空氣質(zhì)量對于臨床診斷及呼吸道病原體在大氣中的擴散評估至關(guān)重要。

濕度傳感器需要考量的關(guān)鍵因素包括魯棒性、測量精度、選擇性、檢測下限（LOD）以及快速響應(yīng)/恢復(fù)時間等。此外，在實際應(yīng)用中還需要考慮傳感器的緊湊性以及與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的兼容性。

壓電MEMS諧振器是滿足上述要求的良好候選技術(shù)，而聲表面波諧振器（SAWR）憑借其簡單的制造工藝、直觀的傳感機制、高靈敏度以及測量穩(wěn)定性而吸引了極高的關(guān)注。氮化鋁（AlN）壓電薄膜可以濺射沉積，確保CMOS工藝兼容性。此外，AlN的高聲速、低損耗和化學(xué)穩(wěn)定性，有助于MHz - GHz范圍諧振頻率（f0）的開發(fā)，以及器件在潮濕條件下的穩(wěn)定運行。此外，由于f0取決于電極的間距，因此可以在單個晶圓或芯片中實現(xiàn)多頻聲表面波諧振器。

與石英晶體微天平（QCM）等宏觀諧振器相比，基于SAWR的濕度傳感器顯示出卓越的靈敏度，因為其工作頻率更高、尺寸更小。不過，基于SWAR的濕度傳感器可能更容易受到高相對濕度（RH）的影響，因為粘性介質(zhì)在快速振動運動下會引起很大阻尼，從而影響傳感器的穩(wěn)定運行。

高相對濕度所引起的機械阻尼效應(yīng)會強烈影響存儲在諧振器中的聲能，降低器件的品質(zhì)因數(shù)（Q）。因此，需要根據(jù)相對濕度仔細考量工作頻率。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）的研究人員提出了一種多頻AlN-SAWR的單片集成工藝，包含三對叉指換能器（IDT）、反射器和共用延遲線（CDL）上的單個金屬化電極。將CDL放置在三對IDT之間的中心，有助于形成駐波和質(zhì)量靈敏度，構(gòu)成了SAWR傳感器的有源/感測區(qū)域。這種單片多頻SAWR系統(tǒng)可以對工作頻率和傳感器性能之間的關(guān)系進行詳細研究。該研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

為了實現(xiàn)傳感器的可靠運行，必須仔細考量敏感材料的量。先前報道了基于SAWR的濕度傳感器實現(xiàn)水分子吸附層的傳統(tǒng)涂層方法，例如旋涂、滴涂和浸涂等。盡管這些傳統(tǒng)方法有助于快速簡便地形成敏感層，但是無法精確地控制敏感材料的量和沉積面積。

此外，由于咖啡環(huán)效應(yīng)，敏感材料會發(fā)生不希望的團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致水分子的吸附不均勻，最終影響器件的性能。研究人員提出的電噴霧沉積（ESD）方法，克服了傳統(tǒng)涂層方法的局限性。

先前的研究采用了各種敏感材料，例如聚合物（PVA、PEI）、碳納米管以及金屬氧化物（TiO2）等。然而，這些材料通常表現(xiàn)出較差的機械耐久性，例如溶脹、磨損和剝落等。此外，在高相對濕度值（>?85% RH）下吸附的水分子的粘度通常會引起顯著的阻尼效應(yīng)，導(dǎo)致敏感輸出不可靠且沒有諧振峰值。這些問題最終限制了傳感器的相對濕度感測范圍和工作壽命。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員重點聚焦了具有卓越機械性能的氧化石墨烯（GO）。

氧化石墨烯具有獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在疏水性六元碳環(huán)上包含了豐富的親水性官能團。因此，盡管氧化石墨烯的親水性官能團可以在高相對濕度條件下捕獲許多水分子，但疏水性六元碳環(huán)為其結(jié)構(gòu)提供了剛性支撐，抑制了水分子的累積，使諧振器表現(xiàn)出最小的粘性效應(yīng)。

盡管氧化石墨烯是一種很有前途的濕度敏感材料，但之前報道的涂層或集成方法可能會降低氧化石墨烯的質(zhì)量和傳感器性能。為了保持氧化石墨烯的質(zhì)量并精確控制氧化石墨烯層的量和沉積面積，研究人員提出了一種電噴霧沉積方法，能夠通過高電壓產(chǎn)生納米或微米級尺寸的液滴。

此外，帶電氧化石墨烯液滴之間的強靜電排斥還抑制了團聚和咖啡環(huán)效應(yīng)。在電噴霧沉積期間使CDL接地可以實現(xiàn)氧化石墨烯的區(qū)域控制和精確沉積。這種方法能夠支持各種傳感參數(shù)（例如測量靈敏度、Q值及噪聲等）的深入分析。為了演示這種傳感器潛在的衛(wèi)生應(yīng)用，研究人員將其應(yīng)用于非接觸式接近檢測和口罩檢查。

（a）由IDT、反射器和CDL組成的SAWR配置，（b）具有氧化石墨烯層的SAWR的制造工藝，（c）AlN層的XRD分析。

（a）電噴霧沉積裝置，包括注射泵、高壓電源和熱板，（b）CDL上氧化石墨烯薄膜的光學(xué)顯微圖像，（c）250 MHz SAWR的諧振峰隨氧化石墨烯噴涂時間的變化，（d）氧化石墨烯薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，（e）涂層氧化石墨烯薄膜的拉曼和（f）XRD分析，（g）用于測試SAWR濕度傳感器的實驗裝置，包括VNA、LabVIEW連接的PC和飽和鹽溶液室。

實驗測試了傳感器在手指（分別包括裸露的手指、涂有保濕霜的手指和戴丁腈手套的手指）和傳感器之間不同距離、不同運動速度下的頻率響應(yīng)。

總結(jié)來說，這項研究介紹了多頻AlN SAWR的單芯片集成，由三對不同f0的IDT和一個CDL作為公共傳感區(qū)組成。此外，在傳感層的形成方法中引入了電噴霧沉積，超越了傳統(tǒng)的旋涂、滴涂和浸涂方法。沉積的氧化石墨烯復(fù)合物在電噴霧沉積后，在CDL上表現(xiàn)出均勻的結(jié)構(gòu)以及敏感區(qū)形成的選擇性。

通過本文所提出的集成工藝，研究人員分析了氧化石墨烯量對傳感器性能的影響。盡管具有更高f0和更大量氧化石墨烯的傳感器顯示出出色的靈敏度，但它們在高濕度條件下也會引起Q值的嚴重降低。為了解決這一限制，研究人員根據(jù)暴露的相對濕度水平仔細選擇了工作頻率。

所開發(fā)的濕度傳感器能夠在各種相對濕度水平下保持高Q值，并將熱噪聲效應(yīng)降至最低。此外，該傳感器可以準確測量手指上的濕度場和呼吸產(chǎn)生的唾液滴，為人類健康監(jiān)測和衛(wèi)生應(yīng)用提供了一種極具前景的傳感器系統(tǒng)。

審核編輯：劉清