柔性湿度传感器的核心突破与未来方向

柔性湿度传感器作为柔性电子的关键组件，以其优异的柔韧性、便携性和高灵敏度，在医疗健康、智能农业、智能家居及人机交互等领域展现出巨大潜力。近日，中国科学院微电子研究所的学者发表于《Microsyst Nanoeng》的综述论文《Flexible humidity sensors for diverse applications》，系统梳理了该领域的最新进展。本文提炼其核心内容，从工作机制、敏感材料、制备技术、应用场景及未来挑战与展望五个方面进行阐述。

论文指出，柔性湿度传感器的核心工作机制是敏感材料与水分子的特异性相互作用，将湿度变化转化为可量化物理信号。主流类型及性能特点如下：

电阻式传感器制备简单、成本低、灵敏度高，适合呼吸分析等快速响应场景。但温度波动易导致电阻漂移，需温度补偿，敏感材料氧化降解也会影响长期稳定性。

电容式传感器的电容变化与湿度近似线性，简化信号处理电路，监测范围宽。静态电流低至微安级，利于延长便携式设备电池寿命。但易受电磁干扰，是实际应用的重点解决问题。

阻抗式传感器具备多参数输出能力，可同时获取电阻、电容、阻抗幅值与相位角信息，提供丰富湿度响应特征。但对信号处理电路要求复杂，增加系统集成难度。

其他频率响应型传感器中，石英晶体微天平（QCM）传感器灵敏度高、可实时监测，但易受环境影响且检测范围有限；表面声波（SAW）湿度传感器在较大弯曲角度下仍能保持稳定性能，在曲面传感及可穿戴呼吸检测中潜力突出。

原论文强调，柔性湿度传感器的性能突破关键在敏感材料的筛选与结构调控。这类材料需高效将湿度信号转化为电信号，性能直接决定传感器应用价值。主流敏感材料分为四类：

• 聚合物材料

聚合物是最早应用的湿度敏感材料，化学稳定性与可加工性优异。核心传感机制是湿度波动引发溶胀度、离子导电性变化，转化为电信号。分子结构易定制，在基础研究与商用中均关键。

• 合成聚合物

在合成聚合物方面，多名研究者通过对其分子结构进行精准设计，可有效调控湿度传感器的关键性能指标。多个案例表明，在分子层面调控合成聚合物的结构，能够显著优化传感器的灵敏度、响应速度与稳定性。

• 纤维素及其衍生物

纳米纤维素分子链富含羟基，能与水分子形成氢键，对湿度变化敏感，低湿环境下也能快速捕获水分子。且来源广泛、易制备、环境友好，在柔性器件领域备受关注。

研究表明，将纳米纤维素与植酸、炭黑或氯化锂等功能材料复合，可系统提升传感器的灵敏度、检测范围与稳定性，推动其在健康监测等领域的实际应用。

• 金属氧化物材料

金属氧化物表面富含悬键（如 M-O⁻、M-OH 基团，M 代表金属离子），具备强极性与亲水性，是近年来湿度敏感材料的研究热点。

论文中的实验证实，通过调控金属氧化物的晶体结构与表面形貌，可显著改善柔性湿度传感器的响应速度与灵敏度，实现从数分钟级到秒级的性能跨越。

• 碳基材料

碳基材料比表面积大，不同湿度下有独特化学/物理吸附行为。丰富的表面活性位点加速水分子吸附/脱附，导电率变化能灵敏响应湿度波动，传感性能优异。

• 碳量子点（CQDs）

碳量子点凭借其丰富的表面官能团与可调控的纳米结构，能够有效增强湿度传感器的亲水性、多孔性及灵敏度，从而实现对多种湿度信号的高性能检测。

• 碳纳米管（CNTs）

CNTs具备大比表面积、优异柔韧性与高导电性，是湿度传感器与可穿戴电子设备的理想材料。

实验研究表明，将碳纳米管与聚合物等材料复合构建协同传感网络，可同步实现湿度传感器的高灵敏度、快速响应和优异机械耐久性，从而拓展其在人体生理信号监测中的应用潜力。

• 二维材料

二维材料结构多样、理化性质独特、经济性好、电子特性优异。单原子或少原子层厚度使表面原子几乎完全暴露，表面体积比高，提升水分子吸附效率，引发电阻、电容或介电常数明显变化。层间范德华间隙可通过控制层数调控性能，与柔性基底附着力优异，满足可穿戴设备的弯曲/拉伸/折叠需求。

• 石墨烯

石墨烯在湿度传感器中应用广泛。论文实验表明，通过对氧化石墨烯进行表面修饰与结构调控，可显著提升其传感性能，实现从高灵敏度到超快响应的突破，为发展高性能非接触式传感应用提供可能。

• 过渡金属硫族化合物（TMDs）

过渡金属硫族化合物具备独特的层状结构和表面化学特性，是极具发展潜力的柔性湿度敏感材料。相关研究显示，借助其高表面能和大比表面积，并通过与柔性基底或MXene等材料复合，可实现超快响应、高灵敏度的湿度检测，在可穿戴医疗和人机交互领域展示出广阔前景。

综上，四类敏感材料通过差异化机制与结构创新，推动柔性湿度传感器向高灵敏、快响应、宽范围、强耐久方向发展，为多场景提供多元解决方案。

原论文指出，制备工艺是敏感材料与柔性基底整合的核心环节，决定传感器集成密度与检测灵敏度。丝网印刷、喷涂、沉积三大技术构成制备基础框架，优势互补，形成多层级工艺体系。

• 丝网印刷技术

在柔性湿度传感器的规模化丝网印刷制造中，多个研究团队通过材料体系创新与功能集成设计，充分展现了该工艺在柔性湿度传感器领域的技术普适性。

比如，丝网印刷技术通过复合KPMX、碳基材料及h-WO₃纳米线等功能墨水，可开发出响应快、灵敏度高、稳定性优的柔性湿度传感器，彰显其在低成本环保基材制备、多功能集成及健康监测、环境监测等复杂场景的应用潜力。

• 喷涂技术

喷涂技术在制造柔性湿度传感器方面展现出独特优势，尤其在实现高精度和复杂结构方面表现突出，这得益于其创新原理和跨尺度结构控制能力。

研究表示，通过喷涂工艺，利用PEI-TA化学交联、离子导电IC-MOFs及尼龙织物/氧化石墨烯网络等不同复合材料，开发出响应快、稳定性优、宽检测范围、自供电且透气的柔性湿度传感器，展现出在健康监测、环境感知及非接触传感等多场景的应用潜力。

• 沉积技术

沉积技术可将敏感材料沉积于柔性基底形成功能层，或实现传感材料原位合成与晶体结构调控，实现器件制造与材料合成集成化。

在器件制造中，通过激光诱导石墨烯与电化学沉积结合、喷墨打印-气溶胶沉积联用两种制造工艺，分别在PI和PET基板制备铜-石墨烯复合材料及银指状电极-氧化石墨烯传感器，实现快速响应、宽湿度检测及呼吸监测、非接触动作识别、语音识别等多场景应用。

在传感材料合成领域，Pan等通过无溶剂化学气相沉积法制备具分级微纳结构的超薄水凝胶-碳纳米复合材料，Youn等采用隔离等离子体软沉积结合硫化工艺实现精确层数控制的大面积二维MoS₂合成，二者分别凭借宽湿度范围快速响应与超快响应特性，推动柔性湿度传感器在人体呼吸监测等可穿戴应用中的实用化。

原论文指出，柔性湿度传感器轻量化、可弯曲、可拉伸、可穿戴的特性，使其在多领域深度应用，持续向高精度、低功耗、集成化方向发展。

• 医疗健康领域

柔性湿度传感器凭借轻量化、高柔性、生物相容性优势，成为实时无创检测人体生理信号的关键平台。Guan等人通过化学改性纤维素纸开发高灵敏度传感器，具备优异柔韧性与生物相容性，适用于实时呼吸监测。刘等人构建石墨烯 - 聚酰胺纳米纤维传感器阵列，利用大比表面积实现呼吸频率追踪，并集成于哮喘预警及无接触给药系统。另一团队采用MXene复合材料研制超疏水汗液传感器，结合无线模块实现汗液蒸气连续监测，为个性化医疗提供新方案。

• 智能农业领域

传统作物传感器刚性结构易损伤植物，柔性湿度传感器采用可弯曲基底，能贴合植物表面且无额外负担。Khasim等研究者开发纳米复合传感器与自供电湿度传感器，可精准量化土壤湿度，为智能灌溉系统提供数据支持，自供电设计提升可靠性。Furqan等通过薄膜传感器实现植物叶片无损附着，有效追踪蒸腾周期；Lu团队开发集光感知与湿度监测于一体的多模态系统，实现气孔功能实时监测与植物脱水状态长期记录，为精准农业提供新方案。

• 智能家居领域

柔性湿度传感器通过环境湿度感知与人体活动监测，构建智能化个性化家居管理系统。研究者通过静电纺丝技术开发全纳米纤维传感器，兼具透气性、生物相容性与快速响应特性，解决传统接触式传感器的皮肤不适问题，为无创睡眠监测提供理想方案。基于MXene/TPU复合薄膜的传感器能精准识别不同呼吸模式，为个性化运动方案制定提供数据支撑。采用手绘电极设计的智能尿布系统，通过高灵敏湿度检测实现更换提示，有效降低尿布疹发生率。

• 人机交互领域

柔性湿度传感器通过精准感知人体微环境湿度场，成为非接触、低功耗交互界面的核心组件。Li等利用MXene复合纳米纤维开发贴肤传感器，兼具高透气性与超快响应，阵列化设计实现通过手势滑动控制机器人推车的非接触交互功能。Gong团队创新开发双功能系统，将摩擦纳米发电机与超灵敏湿度传感器结合，在能量自给的同时，可通过检测手部湿度变化完成非接触式机器人手势控制，凸显可持续、智能化人机交互潜力。

原论文强调，柔性湿度传感器作为连接物理环境与智能系统的关键元件，其发展深刻体现了材料科学、微纳制造技术和多学科应用的融合创新。从材料体系看，敏感材料已从早期的聚乙烯醇等单一聚合物，发展至金属氧化物、碳基材料、二维材料等多类体系并存的格局。金属氧化物通过纳米结构设计优化离子-电子传导路径，碳基材料利用三维导电网络协同解决高导电性与吸湿位点均衡问题，二维材料则凭借原子级厚度和高密度官能团实现快速吸附响应。当前材料开发呈现明显的复合化趋势，通过聚合物-二维材料复合、金属氧化物-碳杂化等策略，有效突破单一材料性能局限，提升传感器在复杂环境中的适应性。

在制造工艺方面，丝网印刷以低成本、高兼容性和大面积制备优势推动规模化生产；喷涂技术可实现均匀薄膜沉积和曲面贴合；沉积工艺则能精准调控材料界面特性与微观结构，为高性能传感器制造提供工艺基础。这些技术进步促使柔性湿度传感器在医疗健康、智能农业、人机交互等领域广泛应用，其轻量化、柔性和可穿戴特性成为核心优势。

原论文客观指出，尽管取得显著进展，柔性湿度传感器在走向实际应用中仍面临多重挑战：首先需提升器件在高湿环境下的长期稳定性，解决材料降解与性能漂移问题；其次应发展高效自供电系统，降低对外部电源的依赖；还需推进多模态感知与智能决策的融合，以应对复杂应用场景；同时制造工艺需建立标准化体系，保证产品一致性与可靠性；最后需通过先进集成技术进一步实现器件微型化，满足植入式医疗等特殊场景需求。

展望未来，随着机器学习算法与柔性电子技术的深度融合，柔性湿度传感器有望从单一功能器件发展为智能感知系统的核心单元，在医疗健康、精准农业、工业物联网等领域催生创新应用。实现这一目标需要持续加强跨学科协作，推动材料、工艺与系统的协同创新。