近日,微電子所新技術(shù)開發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實驗室的毛海央團隊和集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心的周娜老師合作在納米森林的MEMS傳感器集成應(yīng)用研究方面取得重要進展。
呼吸是支持人類生命活動中的重要過程。許多疾病和健康問題,例如:心臟病、肺炎、支氣管炎、呼吸暫停綜合征等,都會引起呼吸頻率和深度的變化。濕度傳感器可以通過監(jiān)測呼吸時鼻腔附近空氣的濕度變化來反映人體的呼吸狀態(tài)。然而,傳統(tǒng)的MEMS濕度傳感器受限于稀缺的高質(zhì)量濕敏材料和單一的器件結(jié)構(gòu),其靈敏度和精度均無法滿足呼吸狀態(tài)監(jiān)測的需求。此外,當(dāng)器件在高濕度環(huán)境中長時間使用時,水汽的凝結(jié)還會導(dǎo)致傳感器的恢復(fù)時間延長,導(dǎo)致無法識別每次呼吸狀態(tài)。
為了解決以上問題,團隊提出了可用于呼吸狀態(tài)監(jiān)測的三層結(jié)構(gòu)MEMS濕度傳感器,該器件由濕敏電容、參比電容、微加熱器和熱敏電阻四部分構(gòu)成。該傳感器通過原位集成納米森林作為濕敏材料,大幅提高了檢測靈敏度;參比電容的使用降低了環(huán)境干擾和寄生電容對測試結(jié)果的影響;熱敏電阻用于測試環(huán)境溫度為傳感器提供溫度補償依據(jù),減小了檢測誤差;微加熱器加電壓后溫度升高,可加速納米森林上水分子的解吸附,縮短恢復(fù)時間。利用該傳感器高靈敏度、響應(yīng)/恢復(fù)速度快、高精度和抗干擾能力強的特點,進一步開發(fā)了具有無線傳輸功能的運動狀態(tài)監(jiān)測模塊,當(dāng)將其置于口罩中時,就能夠通過呼吸數(shù)據(jù)來區(qū)分佩戴者的運動狀態(tài)。在機器學(xué)習(xí)算法的輔助下,該傳感器對佩戴者不同運動狀態(tài)的識別準確率高達94%。該傳感器有望在消費電子和生物醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
基于本研究成果的論文“A nanoforest-based humidity sensor for respiration monitoring”近期發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》期刊上(Microsystems & Nanoengineering, DOI: 10.1038/s41378-022-00372-4),新技術(shù)開發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實驗室博士研究生陳貴東為該文章的第一作者,新技術(shù)開發(fā)部物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)實驗室毛海央研究員和集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心周娜高級工程師為該文章的共同通訊作者。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃和中國科學(xué)院青促會項目等的支持。
圖1 集成納米森林的MEMS濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和SEM圖
圖2 集成納米森林的呼吸狀態(tài)監(jiān)測濕度傳感器測試結(jié)果
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