ACS Appl. Mater. Interfaces综述：纸基气体、湿度、应变传感器研究进展

【背景介绍】

纸张作为一种柔性、低成本、轻薄、可裁剪、环境友好的材料，在柔性电子器件（如超级电容器、摩擦纳米发电机、晶体管和各类传感器）领域具有广泛应用前景。值得一提的是，近年来用于监测人体和环境中气体、湿度和应变的纸基传感器受到了特别关注，并取得了诸多研究进展。然而，由于环境刺激的复杂性（气体、湿度和应变往往共存和相互作用），以及纸张本身的亲水性和柔性，高性能纸基气体、湿度和应变传感器的发展仍面临许多挑战。例如，纸基气体传感器的气敏性能易受纸张的吸湿性和外界应力影响；尽管纸基湿度传感器的响应通常很大，可以免受其它气体的影响，但仍易受纸张的柔性和外界应力影响。因此，对该研究领域的系统总结和对比分析是有必要的。

【成果简介】

近日，电子滚球体育 大学太惠玲教授、段再华博士等人发表综述文章，总结了纸基气体、湿度、应变传感器研究进展。首先，介绍了纸基气体、湿度和应变传感器电极材料和器件制备工艺。接着，以广为研究的二氧化氮和氨气检测为例，介绍了纸基气体传感器研究进展；根据湿敏材料的不同，介绍了基于纸张本身和其它湿敏材料的纸基湿度传感器及其在人体生理体征监测方面的应用；根据应变类型的不同，介绍了纸基弯曲应变和压力应变传感器及其在可穿戴电子方面的应用。最后，对未来该领域的研究提出了一些展望和建议。该工作以“Paper-Based Sensors for Gas, Humidity and Strain Detections: A Review”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【图文导读】

图1纸基传感器电极简易工艺制备

(a-c) 铅笔绘涂工艺制备纸基传感器电极，(d-f) 铝箔、铜箔和聚酯纤维导电胶带粘贴工艺制备纸基传感器电极。

图2纸基传感器敏感材料简易组装工艺

(a) 石墨铅笔绘涂气体传感器敏感材料；(b) 毛刷涂覆工艺组装湿度传感器湿敏材料；(c) 石墨铅笔绘涂制备纸基应变传感器；(d) 绘涂工艺制备纸基碳纳米管气体传感器。

图3：柔性纸基气体传感器研究示例

(a) 基于不同衬底的PbS量子点纸基二氧化氮气体传感器响应曲线；(b) 基于不同衬底的PbS量子点纸基气体传感器响应和恢复时间；(c) 纸基气体传感器弯曲前后的响应曲线(弯曲角度=50°)；(d) 纸基气体传感器弯曲前后的扫描电镜图像。

图4：柔性纸基湿度传感器及应用示例

(a) 不同呼吸频率下纸基湿度传感器的响应曲线；(b) 纸基湿度传感器对模拟婴儿尿布湿润过程的响应曲线；(c) 纸基湿度传感器对手指湿度开关响应特性曲线；(d) 纸基湿度传感器对润湿后皮肤的响应曲线；(e) 纸基湿度传感器湿敏机理示意图。

图5：柔性纸基弯曲应变传感器及应用示例

(a,b) 纸基应变传感器机理示意图；(c,d) 石墨铅笔涂层在弯曲和压缩下的扫描电镜图像；(e,f) 手指弯曲测试。

图6：纸基压力应变传感器研究示例

(a) 纸基石墨烯压力传感器的制备过程示意图；(b) 纸基Mxene压力传感器的制备过程及其应用示意图。

【结论与展望】

近几年，纸基传感器在气体、湿度和应变传感器领域取得了诸多的进展，然而仍面临诸多挑战。

首先，纸张本身的特性（表面特性和机械性能）需要进一步研究。通过对目前已发表的纸基气体、湿度和应变传感器文章的总结，发现普通打印纸具有容易获取、良好的机械柔韧性、粗糙表面、多孔结构和良好的亲水性，是制备纸基传感器最广泛的材料，这对我们今后研究纸基传感器提供了有益借鉴。同时，仅使用普通打印纸可能会阻碍纸基传感器的进一步发展。纸张作为纸基传感器的核心部分，应与其它方面（敏感材料和柔性纸基电极）同步发展，尤其是与纸基传感器性能密切相关的纸张表面特性和机械柔韧性值得关注。

第二，柔性纸基电极的制备工艺有待进一步改进。纸基电极期望具有低成本、环境友好、导电性好、良好的机械柔韧性和批量生产一致性等优点。然而，这些特性仍难以兼得。以广泛报道的铅笔绘涂纸基电极为例，尽管其导电性好、成本低，但仍存在易受弯曲应变影响、手绘一致性差和难以批量生产等问题。

第三，用于纸基传感器的新型敏感材料有待发展。目前，碳材料及其衍生物（如碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、氧化还原石墨烯和炭黑）是制备纸基气体、湿度和应变传感器的主要敏感材料。随着新型纳米材料的出现，纸基传感器的性能有望进一步提高。例如，将石墨烯以外的新型二维材料与纸张相结合有望改进纸基传感器性能。需要注意的是，直接在粗糙多孔的纸张表面构建高质量的二维薄膜材料仍存在许多挑战。

第四，纸基气体传感器的耐湿性有待提高。气体传感器的气敏性能易受湿度影响。对于纸基气体传感器而言，纸张的亲水纸对水分子的吸附进一步加剧了湿度对纸基气体传感器气敏性能的影响。纸基湿度传感器的湿敏响应通常比其它气体的响应大得多，因此干扰气体对纸基湿度传感器几乎没有影响。同时，纸张的亲水性在一定程度上可以提高纸基湿度传感器的湿敏响应，而纸基应变传感器可以封装来避免气体和湿度的影响。

第五，需要降低外界应力对柔性纸基传感器性能的影响。纸张具有良好的柔韧性，但柔性纸基气体、湿度传感器的性能容易受到外界应力的影响。为此，可发展耐机械应变影响的气、湿敏材料提高纸基传感器的机械柔韧性（例如，有机聚合物气、湿敏材料）。此外，根据纸张的可折叠性，设计耐应变影响的几何结构有望降低外界应力对柔性纸基气、湿敏传感器的影响。

第六，开发多功能集成纸基传感器具有重大意义。尽管纸张的大面积、可裁剪和可打印特性为在单张纸上制备多功能集成传感器带来了便利，但多功能集成纸基传感器仍面临不同环境信号刺激的交叉敏感问题。除了本文综述的纸基气体、湿度和应变传感器外，纸基传感器在葡萄糖、病毒、金属离子、温度、光等的检测方面也取得了很大进展。根据应用场景的需要，未来可以开发出集成功能更丰富的纸基传感器。此外，纸基传感器在新的探测对象和集成的柔性纸基电路系统等方面具有扩展性。

文献链接：Paper-Based Sensors for Gas, Humidity, and Strain Detections: A Review, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 28, 31037–31053 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c06435)

本文由Smith123供稿。