近日,中國科學(xué)院微電子所健康電子研發(fā)中心黃成軍-毛海央研究員團隊在納米森林傳感器及其應(yīng)用研究方面取得新進展。
呼吸是支持人類生命活動的重要過程。呼吸頻率和深度是反映運動強度的關(guān)鍵指標(biāo),呼吸模式與心肺功能密切相關(guān)。通過呼吸檢測,可以實時了解運動者的身體狀態(tài),避免過度運動或運動不足,還可以評估運動者的心肺健康狀況,為制定個性化運動計劃提供依據(jù)。然而,傳統(tǒng)的濕度傳感器受限于其使用的結(jié)構(gòu)和材料,存在靈敏度不高等不足。另外,當(dāng)前多種應(yīng)用于呼吸檢測的濕度傳感器依靠信號頻率差異來分辨呼吸狀態(tài),這限制了它們識別更多行為種類的能力。
為了解決以上問題,團隊開發(fā)了一種納米森林濕度傳感器,利用納米森林的大表面積、高孔隙率和超親水特點,使?jié)穸葌鞲衅骶邆淞隧憫?yīng)呼出氣體中微弱濕度變化的能力。同時,器件內(nèi)置加熱電阻/熱敏電阻,不僅可為傳感器提供適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?還可實時監(jiān)測呼吸氣流溫度,通過溫度補償使響應(yīng)更為準(zhǔn)確。基于該新型濕度傳感器,團隊進一步結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了運動識別智能系統(tǒng),可實現(xiàn)對9種不同運動狀態(tài)的高準(zhǔn)確率識別。該工作展現(xiàn)出納米森林濕度傳感器具有廣闊的應(yīng)用潛力,也為智能可穿戴設(shè)備和健康監(jiān)測等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)方案。
圖1?納米森林濕度傳感器及其運動識別智能應(yīng)用
基于該研究成果的論文“An intelligent humidity sensing system for human behavior recognition”近期發(fā)表在國際著名期刊Microsystems & Nanoengineering上(https://doi.org/10.1038/s41378-024-00863-6),微電子所博士研究生楊華彬為該文章的第一作者,健康電子中心毛海央研究員和先導(dǎo)中心周娜高級工程師為該文章的通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院青促會項目等支持。
近年來,團隊在相關(guān)項目的支持下圍繞納米森林傳感器開展了大量研究,相關(guān)成果先后發(fā)表在ACS Sensors (2020), Sensors and Actuators B: Chemical (2020/2024), Advanced Functional Materials (2021), IEEE Electron Device Letters(2021/2022/2024), IEEE Transaction on Electron Device(2023/2025), Microsystems & Nanoengineering (2022/2025), ACS Applied Materials & Interfaces(2023), Nanoscale (2024), Science China Materials(2025)等相關(guān)領(lǐng)域知名期刊上。
圖2 團隊基于常規(guī)半導(dǎo)體工藝開發(fā)的多樣性納米森林結(jié)構(gòu),具有襯底不受限、表面可改性特點,適用于光學(xué)、氣濕敏、生化傳感器等
