受限于水分子的吸附和扩散速度，传统的湿度传感器（例如基于聚合物电解质、多孔陶瓷及金属氧化物的湿度传感器）通常响应时间较长，这严重限制了其在监测瞬态湿度变化中的应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，西南交通大学的研究团队提出了一种毫秒级响应的超快湿度传感器。该湿度传感器利用简单的静电自组装技术，将单层氧化石墨烯量子点（GOQD）组装到二氧化硅（SiO₂）微球上制备而成（以下简称“GSSM湿度传感器”）。得益于SiO₂微球与超薄湿度敏感薄膜的共同作用，该GSSM湿度传感器在电子湿度传感器领域展现出最快的响应时间（2.76 ms）和恢复时间（12.4 ms）。
随后，这项研究利用该GSSM湿度传感器的超快响应性能，揭示了语音气流中的湿度变化与语音活动之间的相关性，展示了湿度语音活动检测的抗噪能力，证实了爆炸引起的湿度冲击，实现了超高频呼吸监测，并验证了湿度触发在无创呼吸机中的作用。该超快湿度传感器在监测瞬态湿度变化方面具有广阔的应用前景。上述研究成果以“Ultrafast humidity sensor and transient humidity detections in high dynamic environments”为题发表在Communications Engineering期刊上。
GSSM湿度传感器的制备及表征
研究人员将聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）溶液与直径500 nm的SiO₂微球悬浮液均匀混合，在SiO₂微球表面形成一层PDDA。随后，将叉指电极（IDE）浸入上述SiO₂@PDDA混合溶液中，在IDE表面形成一层SiO₂@PDDA复合薄膜，其中SiO₂微球被包裹在PDDA薄膜内。然后将IDE浸入直径为20 nm的GOQD分散溶液中（如图1a），通过静电力作用，使带负电荷的GOQD自组装到SiO₂微球表面带正电荷的PDDA层之上（如图1c），从而制备出湿度传感器（如图1d）。
图1 GSSM湿度传感器的制备和结构
研究人员表征了该湿度传感器对由饱和盐溶液产生的不同湿度的敏感响应（如图2a），并绘制了其阻抗随相对湿度变化的曲线（如图2b）。结果显示，该GSSM湿度传感器的响应时间为2.76 ms，恢复时间为12.4 ms（如图2d），显著优于现有报道中环境空气电子湿度传感器。这表明该GSSM湿度传感器在响应速度和恢复特性方面具有明显优势。此外，GSSM湿度传感器还表现出良好的长期稳定性和较小的温度波动。
图2 GSSM湿度传感器的性能表征
接着，为了阐明GSSM湿度传感器的超快响应机理，研究人员探究了该传感器在不同湿度条件下的Nyquist阻抗谱（如图3a）。在低湿度条件下，该GSSM湿度传感器的Nyquist阻抗谱在整个频率范围内呈现半圆特性，表明本征载流子迁移以质子跳跃机制主导，其等效电路可简化为RC电路（如图3b）。然而，当湿度增加至54% RH时，在低频范围的半圆末端出现了代表Warburg阻抗的短尾特征（如图3c）。这表明载流子传输开始转变为典型的质子Grotthuss机制主导，这是由于在高湿条件下传感器表面吸附形成了连续的水分子网络所致。与平面结构相比，微球的引入使GOQD薄膜与水分子的接触面积理论上增加了近3倍（如图3d），同时也显著提升了传感器衬底的粗糙度。
图3 GSSM湿度传感器的工作机制
GSSM湿度传感器的应用
随后，研究人员探索了GSSM湿度传感器的多项应用。
（1）语音活动中的瞬态湿度变化检测。这项研究采用GSSM湿度传感器检测语音活动中的瞬态湿度变化（如图4a）。研究人员还测试了另一款湿度传感器的响应时间（350 ms）和恢复时间（1100 ms），尽管其性能已优于大多数商用湿度传感器，但仍显著慢于GSSM湿度传感器，相关实验结果如图4所示。
图4 基于GSSM湿度传感器的语音湿度变化信号
（2）基于湿度麦克风的语音活动检测。为了验证湿度麦克风检测语音活动的可行性，研究人员设计了一种基于湿度麦克风的语音活动检测系统（如图5a），该系统利用GSSM湿度传感器采集英语单词语音的湿度信号，并在计算机上进行识别，相关实验结果如图5所示。
图5 基于GSSM湿度传感器的语音活动检测
（3）含水爆炸湿度变化监测。这项研究利用气球模拟含水爆炸实验（如图6a）：研究人员向气球中倒入一定量的水，然后通过导管不断向气球内注入空气，直到气球爆炸；在爆炸瞬间，爆破气球产生的气流迅速释放到周围环境中，导致空气湿度急剧变化。研究人员分别使用商用湿度传感器（盛思锐SHT30）和GSSM湿度传感器对上述爆炸过程进行了监测（如图6b和图6c）。实验结果表明，GSSM湿度传感器能够更能准确地监测含水爆炸产生的湿度变化，这对于爆炸事故的及时预警和原因分析具有重要意义。
图6 GSSM湿度传感器在含水爆炸监测、高频呼吸监测、无创呼吸机湿度触发等方面的应用
（4）高频呼吸监测与无创呼吸机湿度触发。GSSM湿度传感器在受试者模拟呼吸频率达到150次/分钟时，仍能准确检测呼吸气流中的湿度变化（如图6f何图6g）。另外，研究人员还提出了一种基于GSSM湿度传感器的无创呼吸机湿度触发方法（如图6h何图6i）。该方法能够有效地减少呼吸机输出气流的干扰。
综上所述，这项研究开发了一种超快电子湿度传感器（GSSM湿度传感器），以解决当前商用湿度传感器在动态环境中面临的挑战。GSSM湿度传感器基于在SiO₂微球表面自组装的GOQD超薄膜制备而成。与平面结构相比，GSSM湿度传感器显著提升了比表面积和亲水性。超薄湿度敏感膜与微球曲面的结合使GSSM湿度传感器实现了卓越的性能，其响应时间和恢复时间分别达到了2.76 ms和12.4 ms。基于GSSM湿度传感器，这项研究证实了语音气流中的瞬时湿度变化与语音活动之间的相关性。在此基础上，研究人员提出了一种基于湿度的语音活动检测系统，该系统具有良好的抗噪性能。该传感器还能够检测到水爆炸过程中类似冲击波的瞬态湿度变化，以及高达每分钟150次呼吸频率的超高频呼吸湿度信号。此外，这项研究还提出了一种无创呼吸机的湿度触发方法，与传统的压力触发方法相比，该方法能够有效降低人机冲突。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00342-4
延伸阅读：《环境气体传感器技术及市场-2023版》《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》《量子点材料技术及市场-2023版》《石墨烯市场和二维材料评估-2023版》
受限于水分子的吸附和扩散速度，传统的湿度传感器（例如基于聚合物电解质、多孔陶瓷及金属氧化物的湿度传感器）通常响应时间较长，这严重限制了其在监测瞬态湿度变化中的应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，西南交通大学的研究团队提出了一种毫秒级响应的超快湿度传感器。该湿度传感器利用简单的静电自组装技术，将单层氧化石墨烯量子点（GOQD）组装到二氧化硅（SiO₂）微球上制备而成（以下简称“GSSM湿度传感器”）。得益于SiO₂微球与超薄湿度敏感薄膜的共同作用，该GSSM湿度传感器在电子湿度传感器领域展现出最快的响应时间（2.76 ms）和恢复时间（12.4 ms）。
随后，这项研究利用该GSSM湿度传感器的超快响应性能，揭示了语音气流中的湿度变化与语音活动之间的相关性，展示了湿度语音活动检测的抗噪能力，证实了爆炸引起的湿度冲击，实现了超高频呼吸监测，并验证了湿度触发在无创呼吸机中的作用。该超快湿度传感器在监测瞬态湿度变化方面具有广阔的应用前景。上述研究成果以“Ultrafast humidity sensor and transient humidity detections in high dynamic environments”为题发表在Communications Engineering期刊上。
GSSM湿度传感器的制备及表征
研究人员将聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）溶液与直径500 nm的SiO₂微球悬浮液均匀混合，在SiO₂微球表面形成一层PDDA。随后，将叉指电极（IDE）浸入上述SiO₂@PDDA混合溶液中，在IDE表面形成一层SiO₂@PDDA复合薄膜，其中SiO₂微球被包裹在PDDA薄膜内。然后将IDE浸入直径为20 nm的GOQD分散溶液中（如图1a），通过静电力作用，使带负电荷的GOQD自组装到SiO₂微球表面带正电荷的PDDA层之上（如图1c），从而制备出湿度传感器（如图1d）。
图1 GSSM湿度传感器的制备和结构
研究人员表征了该湿度传感器对由饱和盐溶液产生的不同湿度的敏感响应（如图2a），并绘制了其阻抗随相对湿度变化的曲线（如图2b）。结果显示，该GSSM湿度传感器的响应时间为2.76 ms，恢复时间为12.4 ms（如图2d），显著优于现有报道中环境空气电子湿度传感器。这表明该GSSM湿度传感器在响应速度和恢复特性方面具有明显优势。此外，GSSM湿度传感器还表现出良好的长期稳定性和较小的温度波动。
图2 GSSM湿度传感器的性能表征
接着，为了阐明GSSM湿度传感器的超快响应机理，研究人员探究了该传感器在不同湿度条件下的Nyquist阻抗谱（如图3a）。在低湿度条件下，该GSSM湿度传感器的Nyquist阻抗谱在整个频率范围内呈现半圆特性，表明本征载流子迁移以质子跳跃机制主导，其等效电路可简化为RC电路（如图3b）。然而，当湿度增加至54% RH时，在低频范围的半圆末端出现了代表Warburg阻抗的短尾特征（如图3c）。这表明载流子传输开始转变为典型的质子Grotthuss机制主导，这是由于在高湿条件下传感器表面吸附形成了连续的水分子网络所致。与平面结构相比，微球的引入使GOQD薄膜与水分子的接触面积理论上增加了近3倍（如图3d），同时也显著提升了传感器衬底的粗糙度。
图3 GSSM湿度传感器的工作机制
GSSM湿度传感器的应用
随后，研究人员探索了GSSM湿度传感器的多项应用。
（1）语音活动中的瞬态湿度变化检测。这项研究采用GSSM湿度传感器检测语音活动中的瞬态湿度变化（如图4a）。研究人员还测试了另一款湿度传感器的响应时间（350 ms）和恢复时间（1100 ms），尽管其性能已优于大多数商用湿度传感器，但仍显著慢于GSSM湿度传感器，相关实验结果如图4所示。
图4 基于GSSM湿度传感器的语音湿度变化信号
（2）基于湿度麦克风的语音活动检测。为了验证湿度麦克风检测语音活动的可行性，研究人员设计了一种基于湿度麦克风的语音活动检测系统（如图5a），该系统利用GSSM湿度传感器采集英语单词语音的湿度信号，并在计算机上进行识别，相关实验结果如图5所示。
图5 基于GSSM湿度传感器的语音活动检测
（3）含水爆炸湿度变化监测。这项研究利用气球模拟含水爆炸实验（如图6a）：研究人员向气球中倒入一定量的水，然后通过导管不断向气球内注入空气，直到气球爆炸；在爆炸瞬间，爆破气球产生的气流迅速释放到周围环境中，导致空气湿度急剧变化。研究人员分别使用商用湿度传感器（盛思锐SHT30）和GSSM湿度传感器对上述爆炸过程进行了监测（如图6b和图6c）。实验结果表明，GSSM湿度传感器能够更能准确地监测含水爆炸产生的湿度变化，这对于爆炸事故的及时预警和原因分析具有重要意义。
图6 GSSM湿度传感器在含水爆炸监测、高频呼吸监测、无创呼吸机湿度触发等方面的应用
（4）高频呼吸监测与无创呼吸机湿度触发。GSSM湿度传感器在受试者模拟呼吸频率达到150次/分钟时，仍能准确检测呼吸气流中的湿度变化（如图6f何图6g）。另外，研究人员还提出了一种基于GSSM湿度传感器的无创呼吸机湿度触发方法（如图6h何图6i）。该方法能够有效地减少呼吸机输出气流的干扰。
综上所述，这项研究开发了一种超快电子湿度传感器（GSSM湿度传感器），以解决当前商用湿度传感器在动态环境中面临的挑战。GSSM湿度传感器基于在SiO₂微球表面自组装的GOQD超薄膜制备而成。与平面结构相比，GSSM湿度传感器显著提升了比表面积和亲水性。超薄湿度敏感膜与微球曲面的结合使GSSM湿度传感器实现了卓越的性能，其响应时间和恢复时间分别达到了2.76 ms和12.4 ms。基于GSSM湿度传感器，这项研究证实了语音气流中的瞬时湿度变化与语音活动之间的相关性。在此基础上，研究人员提出了一种基于湿度的语音活动检测系统，该系统具有良好的抗噪性能。该传感器还能够检测到水爆炸过程中类似冲击波的瞬态湿度变化，以及高达每分钟150次呼吸频率的超高频呼吸湿度信号。此外，这项研究还提出了一种无创呼吸机的湿度触发方法，与传统的压力触发方法相比，该方法能够有效降低人机冲突。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00342-4
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