新型湿度传感器的灵感来自骆驼的鼻子

智能传感专委会

2022-01-24

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　　中国的研究人员已经开发出一种耐用的电容式湿度传感器，这种传感器模仿骆驼鼻子的吸水表面积。它依赖于化学稳定的两性离子，同时表现出高响应性、灵敏度和耐用性——这是电容式湿度传感器中的首创。

图片来源：Shutterstock.com/David Evison

　　水分子和两性离子之间的强相互作用促进了大脑中发现的突触样行为，使这种传感器具有人工智能能力和可调记忆。

　　这项研究为高性能生化传感器的开发提供了进一步的机会，这些传感器在工业湿度监测和非接触式交互设备中有着广泛的应用。

湿度传感器简介

　　人类和动物的感觉是基于复杂的生化反馈系统。生物感应技术试图模仿这些系统，同时提供可理解的输出。

　　现代传感技术包括传感元件、将一种形式的能量转换为另一种信号处理硬件的传感器，以及物理封装和相关连接。

　　激励信号激活传感元件，以响应传感元件中所用材料的特性。使用的材料类型取决于所需的输出类型。

　　尤其是湿度传感器，在国内和工业上有着广泛的应用。例如，它们用于建筑物的环境控制、医疗设备的质量控制、温室的湿度控制或半导体制造过程的控制。它们适用于需要湿度控制的任何地方。

　　湿度传感器检测基板（如空气）中存在的水量。湿度测量为相对湿度——水蒸汽压与饱和蒸汽压之比，露点/冰点-水蒸气分别凝结成液体或冰的温度，或百万分之几。

　　大多数湿度传感器测量相对湿度以便于解释。它们通过检测空气中电流或温度的变化来发挥作用。一旦检测到这些变化，就会将其转换为数字输出。

　　有三种类型的相对湿度传感器：

　　•电容式湿度传感器使用放置在两个电极之间的金属氧化物条。湿度的变化反映在金属氧化物条的电容变化。电容传感器主要用于工业和气象应用。

　　•电阻式湿度传感器测量盐介质中电极的电阻。它们用于住宅和商业环境。

　　•热湿度传感器测量两个传感器之间的导电性差异。一个传感器封装在干燥的氮气中，而另一个传感器暴露在空气中。热传感器适用于高温环境。

以骆驼为灵感的湿度传感器

　　作为居住在沙漠中的动物，骆驼已经发展出高度敏感的嗅觉来定位水源。

　　对于人类应用，通常需要高灵敏度的水感应装置。尽管目前的设备已经被证明是高度敏感的，但它们往往缺乏耐用性。相反，许多设备耐用，但缺乏灵敏度。

　　由中国福建省光电信息科技创新实验室和其他机构资助的中国研究人员，以骆驼鼻子内的高比表面积结构为传感器建模。

图片来源：美国化学学会。
（2022）骆驼的鼻子激发了一种新的湿度传感器——美国化学学会

　　研究人员创造了一个多孔聚合物网络，其中填充了两性离子——具有相同数量的带正电和带负电官能团的分子——模拟骆驼鼻粘液的性质。众所周知，这种粘液会随着空气湿度的变化而改变其电容量。

　　这种聚合物结构具有高度的耐久性、灵敏度和响应性。特别是，它已被证明能够对工业废气进行实时湿度监测，并能快速区分干叶、陈叶和新鲜叶。

　　此外，传感器的电响应可以微调或调整，就像人脑中的神经元一样，具有使用人工智能学习和调整其响应的潜力。

参考文献

American Chemical Society. （2022） Camels’ noses inspire a new humidity sensor - American Chemical Society. ［online］ Available at：https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2022/acs-presspac-january-19-2022/camels-noses-inspire-new-humidity-sensor.html
Caicong， L.， et al.，（2021） A camel nose-inspired highly durable neuromorphic humidity sensor with water source locating capability. ACS Nano，［online］ Available at：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10004
Hashmi， M. （2014） Introduction to Sensor Materials， Technologies and Applications. Comprehensive Materials Processing，［online］ Vol.13， pp 1-3. Available at：https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.01300-5
Chen， Z.， et al. （2005） Humidity Sensors：A Review of Materials and Mechanisms. Sensor Letters，［online］ Vol. 3， pp 274–295. Available at：https://web.engr.uky.edu/~zhichen/publication/Humidity-Sensors-Review-Reprint.pdf

　　来源：William Alldred

—编译：曹歆

中国计量协会智能传感器
专业委员会简介

中国计量协会智能传感器专业委员会（以下简称“智能传感专委会”）是经中国计量协会批准成立并登记的智能传感行业组织，属中国计量协会分支机构。智能传感专委会由具备一定生产规模、质量信誉良好的智能传感技术研究，产品设计、生产加工、封装测试的企业和机构；智能传感新技术推广应用单位；具有智能传感相关专业的高校和科研院所自愿组成。

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（一）按照国家战略部署，贯彻落实政府有关的政策、法规；收集分析国内外市场、技术等产业信息，为政府部门决策和制定产业政策提供咨询意见及建议。

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（三）通过建立智能传感器数据云平台，共同探索智能传感器产业创新模式和机制，推动智能传感器在设计、工艺、生产、封装、检测等相关环节的能力提升。

（四）建立智能传感专委会信息发布平台、公众号平台、刊物，组织智能传感器产业链产、学、研、用各相关机构召开产业研讨会，向会员单位通报信息，借鉴经验，推广新技术，对接各方需求和能力，促进交流与合作。

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