ACS Appl. Mater. Interfaces綜述：紙基氣體、濕度、應變傳感器研究進展

【背景介紹】

紙張作為一種柔性、低成本、輕薄、可裁剪、環境友好的材料，在柔性電子器件（如超級電容器、摩擦納米發電機、晶體管和各類傳感器）領域具有廣泛應用前景。值得一提的是，近年來用于監測人體和環境中氣體、濕度和應變的紙基傳感器受到了特別關注，并取得了諸多研究進展。然而，由于環境刺激的復雜性（氣體、濕度和應變往往共存和相互作用），以及紙張本身的親水性和柔性，高性能紙基氣體、濕度和應變傳感器的發展仍面臨許多挑戰。例如，紙基氣體傳感器的氣敏性能易受紙張的吸濕性和外界應力影響；盡管紙基濕度傳感器的響應通常很大，可以免受其它氣體的影響，但仍易受紙張的柔性和外界應力影響。因此，對該研究領域的系統總結和對比分析是有必要的。

【成果簡介】

近日，電子科技大學太惠玲教授、段再華博士等人發表綜述文章，總結了紙基氣體、濕度、應變傳感器研究進展。首先，介紹了紙基氣體、濕度和應變傳感器電極材料和器件制備工藝。接著，以廣為研究的二氧化氮和氨氣檢測為例，介紹了紙基氣體傳感器研究進展；根據濕敏材料的不同，介紹了基于紙張本身和其它濕敏材料的紙基濕度傳感器及其在人體生理體征監測方面的應用；根據應變類型的不同，介紹了紙基彎曲應變和壓力應變傳感器及其在可穿戴電子方面的應用。最后，對未來該領域的研究提出了一些展望和建議。該工作以“Paper-Based Sensors for Gas, Humidity and Strain Detections: A Review”為題發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【圖文導讀】

圖1紙基傳感器電極簡易工藝制備

(a-c) 鉛筆繪涂工藝制備紙基傳感器電極，(d-f) 鋁箔、銅箔和聚酯纖維導電膠帶粘貼工藝制備紙基傳感器電極。

圖2紙基傳感器敏感材料簡易組裝工藝

(a) 石墨鉛筆繪涂氣體傳感器敏感材料；(b) 毛刷涂覆工藝組裝濕度傳感器濕敏材料；(c) 石墨鉛筆繪涂制備紙基應變傳感器；(d) 繪涂工藝制備紙基碳納米管氣體傳感器。

圖3：柔性紙基氣體傳感器研究示例

(a) 基于不同襯底的PbS量子點紙基二氧化氮氣體傳感器響應曲線；(b) 基于不同襯底的PbS量子點紙基氣體傳感器響應和恢復時間；(c) 紙基氣體傳感器彎曲前后的響應曲線(彎曲角度=50°)；(d) 紙基氣體傳感器彎曲前后的掃描電鏡圖像。

圖4：柔性紙基濕度傳感器及應用示例

(a) 不同呼吸頻率下紙基濕度傳感器的響應曲線；(b) 紙基濕度傳感器對模擬嬰兒尿布濕潤過程的響應曲線；(c) 紙基濕度傳感器對手指濕度開關響應特性曲線；(d) 紙基濕度傳感器對潤濕后皮膚的響應曲線；(e) 紙基濕度傳感器濕敏機理示意圖。

圖5：柔性紙基彎曲應變傳感器及應用示例

(a,b) 紙基應變傳感器機理示意圖；(c,d) 石墨鉛筆涂層在彎曲和壓縮下的掃描電鏡圖像；(e,f) 手指彎曲測試。

圖6：紙基壓力應變傳感器研究示例

(a) 紙基石墨烯壓力傳感器的制備過程示意圖；(b)?紙基Mxene壓力傳感器的制備過程及其應用示意圖。

【結論與展望】

近幾年，紙基傳感器在氣體、濕度和應變傳感器領域取得了諸多的進展，然而仍面臨諸多挑戰。

首先，紙張本身的特性（表面特性和機械性能）需要進一步研究。通過對目前已發表的紙基氣體、濕度和應變傳感器文章的總結，發現普通打印紙具有容易獲取、良好的機械柔韌性、粗糙表面、多孔結構和良好的親水性，是制備紙基傳感器最廣泛的材料，這對我們今后研究紙基傳感器提供了有益借鑒。同時，僅使用普通打印紙可能會阻礙紙基傳感器的進一步發展。紙張作為紙基傳感器的核心部分，應與其它方面（敏感材料和柔性紙基電極）同步發展，尤其是與紙基傳感器性能密切相關的紙張表面特性和機械柔韌性值得關注。

第二，柔性紙基電極的制備工藝有待進一步改進。紙基電極期望具有低成本、環境友好、導電性好、良好的機械柔韌性和批量生產一致性等優點。然而，這些特性仍難以兼得。以廣泛報道的鉛筆繪涂紙基電極為例，盡管其導電性好、成本低，但仍存在易受彎曲應變影響、手繪一致性差和難以批量生產等問題。

第三，用于紙基傳感器的新型敏感材料有待發展。目前，碳材料及其衍生物（如碳納米管、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、氧化還原石墨烯和炭黑）是制備紙基氣體、濕度和應變傳感器的主要敏感材料。隨著新型納米材料的出現，紙基傳感器的性能有望進一步提高。例如，將石墨烯以外的新型二維材料與紙張相結合有望改進紙基傳感器性能。需要注意的是，直接在粗糙多孔的紙張表面構建高質量的二維薄膜材料仍存在許多挑戰。

第四，紙基氣體傳感器的耐濕性有待提高。氣體傳感器的氣敏性能易受濕度影響。對于紙基氣體傳感器而言，紙張的親水紙對水分子的吸附進一步加劇了濕度對紙基氣體傳感器氣敏性能的影響。紙基濕度傳感器的濕敏響應通常比其它氣體的響應大得多，因此干擾氣體對紙基濕度傳感器幾乎沒有影響。同時，紙張的親水性在一定程度上可以提高紙基濕度傳感器的濕敏響應，而紙基應變傳感器可以封裝來避免氣體和濕度的影響。

第五，需要降低外界應力對柔性紙基傳感器性能的影響。紙張具有良好的柔韌性，但柔性紙基氣體、濕度傳感器的性能容易受到外界應力的影響。為此，可發展耐機械應變影響的氣、濕敏材料提高紙基傳感器的機械柔韌性（例如，有機聚合物氣、濕敏材料）。此外，根據紙張的可折疊性，設計耐應變影響的幾何結構有望降低外界應力對柔性紙基氣、濕敏傳感器的影響。

第六，開發多功能集成紙基傳感器具有重大意義。盡管紙張的大面積、可裁剪和可打印特性為在單張紙上制備多功能集成傳感器帶來了便利，但多功能集成紙基傳感器仍面臨不同環境信號刺激的交叉敏感問題。除了本文綜述的紙基氣體、濕度和應變傳感器外，紙基傳感器在葡萄糖、病毒、金屬離子、溫度、光等的檢測方面也取得了很大進展。根據應用場景的需要，未來可以開發出集成功能更豐富的紙基傳感器。此外，紙基傳感器在新的探測對象和集成的柔性紙基電路系統等方面具有擴展性。

文獻鏈接：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。