湿度传感器可以检测周围环境或人体皮肤表面的湿度变化，在可穿戴电子、人机界面和医疗保健等领域都具有广阔的应用前景，是可穿戴电子器件基石之一。由于湿度传感属于非接触模式，避免了传统接触式传感器件（如力学类传感器）长期穿戴后造成的机械磨损和交叉感染。尽管目前可穿戴式湿度传感器具有优良的传感性能，但是透气性较差，不利于人体皮肤分泌汗液的蒸发，长期穿戴后容易刺激皮肤导致红肿发炎等症状。同时，这些器件厚度大（数百微米）、杨氏模量较高，很难共形贴附在皮肤表面，尤其在人体运动时，易出现器件-皮肤界面失效的问题，降低测量数据的准确性，阻碍了长期使用。

近日，上海大学赵婷婷副教授&张建华教授团队在期刊《npj Flexible Electronics》上，发表了最新研究成果“A skin-conformal and breathable humidity sensor for emotional mode recognition and non-contact human-machine interface”。研究者通过将碱化MXenes-聚多巴胺的复合湿敏材料（AMP）喷涂在有叉指电极的静电纺丝纳米纤维上，制备出一种能与皮肤共形贴附和透气性好的湿度传感器（SAMP），如图1所示。该器件的优良性能可归功于AMP湿敏材料和弹性体纳米纤维衬底的协同作用：AMP湿敏材料具有大比表面积和丰富亲水官能团，能快速吸附-脱附水分子，有利于提高器件的湿敏性能。而弹性体纳米纤维衬底具有超薄、柔性和多孔结构的特性，有助于实现器件的皮肤共形贴附和高透气性。

图1：基于SAMP的湿度传感器原理图及应用。

基于SAMP的湿度传感器的制备工艺可分为三步：

1、首先通过静电纺丝工艺制备超薄、透气的弹性纳米纤维衬底（SBS NFs）；

2、通过空气喷涂工艺形成Ag NWs叉指电极（IDEs）；

3、最后滴涂AMP湿敏材料。

SEM、XRD和XPS分析结果证实了纳米纤维衬底的多孔结构，湿敏材料具有大比表面积的手风琴层状结构和亲水官能团。此外，整个器件厚度仅为约26 μm。由于具有超薄、柔性的特性，该器件可在范德瓦尔力的作用下可与志愿者手指表面共形贴附，如图2所示。

图2：基于SAMP的湿度传感器的制备与表征。

AMP的吸湿性受其浓度的影响，浓度越高，吸湿性越强，有利于提高湿度传感器的响应能力。然而，浓度越高，会降低器件的透气性。研究者在纳米纤维衬底上分别制备了五种不同浓度（0.2-1.0 mg/mL）的AMP湿敏材料，研究了浓度对器件的传感性能和透气性的影响规律，发现滴涂浓度为0.6 mg/mL AMP湿敏材料的湿度传感器具有最大的灵敏度（704）、优良的透气性（0.074 g cm^-2 d^-1）和较短的响应恢复时间（0.9s/0.9s），如图3所示。

图3：基于SAMP的湿度传感器性能定量研究。

由于该湿度传感器具有优良的透气性和湿度响应，因此可作为可穿戴设备监测一些与湿度相关的行为，例如识别人类的运动模式和情绪状态（见图4）。志愿者在运动过程中前额皮肤出汗，蒸发的水分子被SAMP捕获，导致传感器电流信号发生变化，因此将器件贴附在志愿者额头上，可以实现志愿者深蹲运动之前、期间和之后三种运动模式的区分。研究表明，即使在皮肤大量出汗时，经受不同方向挤压的器件仍能与皮肤保持共形贴附状态，且将器件贴附在手臂皮肤上8天后，皮肤表面未出现明显异常，证明该SAMP器件具有良好的透气性和生物兼容性，可以用于长期监测人体生理信息。

有研究表明，人体情绪状态会直接影响其呼吸模式。研究者采集了志愿者在正常、恐惧、疼痛和思考四种情绪状态下的呼吸模式（如呼吸频率、呼吸深度等）数据，并采用支持向量机(SVM)算法机器学习分类，获得了高达86.7%的识别准确率。

图4：基于SAMP湿度传感器在运动模式和情绪状态识别的应用。

利用手指皮肤固有的湿度场可以实现非接触式的人机界面交互，避免传统器件直接接触引起的细菌交叉感染问题。同时，为了避免单点控制带来的意外触发问题，进行手指运动的有效识别，研究者提出了基于阵列湿度传感器的人机交互系统，由一个3×3 SAMP湿度传感器阵列，机器小车、处理电路、、存储箱、医疗包和电池等组成，如图5所示。该系统可采集并分析志愿者在阵列器件上方不同位置划出的手指轨迹，发出相应指令控制机器小车做出向前、左转、闭合/闭合机械爪等动作以完成医疗包的转运工作。该湿度传感器对运动模式、情绪状态和非接触手指划动轨迹的精确识别，证明其在运动监测、医疗卫生、人机交互界面等领域具有潜在的应用前景。

图5：基于SAMP湿度传感器的非接触式人机界面应用。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-023-00290-z