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考研清华大学，考研清华大学有多难

大量研究表明，柔性电子设备在健康管理中发挥着重要作用。目前，大多数报道的柔性电子设备都配备了单独的电源装置，需要通过外部电路进行组装。复杂的电路设计和布线对器件结构和集成技术提出了很高的要求，不可避免地影响了舒适性和美观性，增加了系统故障的概率。因此，非常希望开发出具有集成能量供应功能的柔性电子设备。

清华大学的张莹莹教授团队基于通常用于设计金属-空气电池的金属-空气氧化还原反应，设计了一种自供电的电化学湿度传感器（ceh），该传感器由夹在石墨纸和铝箔之间的氧化石墨烯(go)/丝素蛋白(sf)/溴化锂（libr）电解质凝胶层组成。go/sf中丰富的亲水基团和libr的吸湿性导致输出电流与湿度紧密相关，使传感器具有高灵敏度（0.09 μa/s/1%）、快速响应（1.05 s）快速恢复（0.80 s）。作为概念证明，设计了一个一体化呼吸监测诊断治疗系统和非接触式人机界面，演示了ceh传感器在健康管理中的应用。该工作以题为“humidity-sensitive chemoelectric flexible sensors based on metal-air redox reaction for health management”发表在《nature communications》上。

【自供电ceh传感器的制备】

传感器的电解质层由溶解在libr水溶液中的go和天然蚕丝sf组成，夹在石墨纸（阴极层）和铝箔（阳极层）之间。当传感器处于潮湿环境中时，go/sf/libr层吸收空气中的水分子，libr解离成li 和br -，分别转移到阴极和阳极；金属阳极可以失去电子并转化为金属离子。离子迁移率会受到吸收水量的影响，因此，短路电流的测量值取决于湿度，使其能够作为一个自供电的湿度传感器工作。

图1：go/sf/libr的制备过程和潜在应用以及获得的ceh传感器。

【自供电ceh传感器的表征】

通过微调湿度来表征ceh传感器的性能。测量传感器在不同相对湿度（rh）下的电流变化率（ccr），当rh从11.3%变化到84.3%时，ccr从1.16增加到8.44 μa/s，表明ceh传感器可以在很宽的范围内以高灵敏度检测可变湿度。当rh在57.6%和11.3%之间切换时，其响应非常灵敏。此外，0-100% rh切换的响应和恢复时间分别为1.05和0.80秒，表明其可靠性高，响应速度快，为在呼吸监测和人机交互领域的应用奠定了基础。

图2：ceh传感器的性能

【基于ceh传感器的呼吸监测-诊断-治疗】

测试了ceh传感器在不同呼吸频率下的响应信号。传感器可以识别不同频率的呼吸，包括慢速、正常和快速呼吸，分别对应于放松、正常和运动状态。比较了睡眠呼吸暂停综合征(sas)患者与正常人的呼吸信号，与正常信号相比，呼吸暂停过程的ccr几乎为零，可用于呼吸暂停综合征的诊断。设计了一个一体化的呼吸监测-诊断-治疗系统并展示了它的应用。该系统由信号采集单元、信号处理单元、信号传输单元、控制单元、输出单元组成，具有多种工作模式。

图3：ceh传感器在呼吸监测、远程医疗、sas诊断和治疗中的应用

【基于自供电ceh传感器的非接触式人机界面】

目前，大部分人机交互都是通过接触来完成的，往往会增加病毒和细菌传播等风险。作者基于高灵敏度ceh传感器，设计了一种非接触式人机界面。由于人体皮肤固有的湿度场，可以检测手指的接近，从而避免接触引起的病毒传播和细菌感染。将湿度传感器放置在水面以上的不同高度，以验证其用作非接触式人机界面的能力。根据在水面上不同高度的短路电流变化，展示出传感器具有较高的稳定性和可靠性。使用基于湿度传感器的非接触式人机界面来控制电梯模型，可以无需接触实现对电梯的控制。

图4：ceh传感器在非接触式人机交互中的应用

【小结】

综上所述，该工作报告了一种由金属-空气氧化还原反应驱动的自供电ceh传感器，并展示了其在远程健康管理和医疗中的高性能。该传感器由夹在活性阳极和惰性阴极之间的go/sf/libr凝胶电解质组成，可以通过跟踪其输出电流来敏感地检测湿度；其高灵敏度可归因于go和sf中丰富的亲水基团以及libr的良好吸湿性。传感器显示出高灵敏度（0.09 μa/s/1%），响应速度快（1.05 s），回复时间短（0.80 s）和较宽的相对湿度工作范围（11-84%）。设计了一个智能呼吸系统与非接触式人机界面证明其应用。预计这种基于金属-空气氧化还原反应制造自供电传感器的策略不仅可以为健康管理提供湿度传感器，还可以为便携式和可穿戴应用的无电源设备的设计和制造提供新的途径。

来源：高分子科学前沿

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