基于超薄玻璃的柔性透明超灵敏表面声波湿度传感器的研究报告
作者及发表信息 本研究由来自湖南大学的吴建辉、尹昌帅、周剑（通讯作者，邮箱：jianzhou@hnu.edu.cn）、段辉高，中国科学院国家纳米科学中心的李宏朗，湖南科技大学的刘毅、申益平，康宁研发公司的Sean Garner，以及诺森比亚大学的付永清共同完成。研究成果以标题“ultrathin glass-based flexible, transparent, and ultrasensitive surface acoustic wave humidity sensor with zno nanowires and graphene quantum dots”发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，于2020年8月10日在线发表。
学术背景与研究目标 本研究属于柔性电子与传感器技术领域，具体聚焦于高性能柔性湿度传感器的开发。湿度监测在医疗、工业、农业及可穿戴健康领域具有广泛需求。表面声波（Surface Acoustic Wave, SAW）器件因其高灵敏度、尺寸小等特点，是理想的传感器平台。然而，传统SAW湿度传感器多基于刚性衬底（如石英、硅），无法适用于弯曲表面，限制了其在柔性电子和可穿戴设备中的应用。
尽管已有研究尝试使用聚合物（如聚酰亚胺PI）或铝箔作为柔性衬底来制作SAW器件，但它们存在显著的局限性：聚合物衬底声波损耗大、薄膜附着力差，导致器件性能（如信号幅度、机电耦合系数）低下；铝箔衬底则易发生塑性形变，弯曲后难以恢复，且不透明。因此，开发兼具高性能（高灵敏度、高信号质量）和优良机械柔性的SAW传感器仍是一个巨大挑战。
本研究旨在解决上述挑战，具体目标为：开发一种基于全新衬底材料——超薄柔性玻璃（ultrathin flexible glass）的SAW湿度传感器。该传感器不仅要求具备优异的柔性和透明度，还需实现超高的湿度灵敏度。为此，研究团队创新性地设计并采用了由氧化锌纳米线（ZnO Nanowires, ZnO NWs）和石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）组成的复合敏感层，以期通过材料与结构的协同效应，大幅提升传感器的性能。
详细研究流程 本研究工作流程清晰，主要包含器件制备、材料表征、器件性能测试及弯曲与可穿戴应用演示四大环节。
第一环节：器件的设计与制备。研究选用了100微米厚的康宁Willow玻璃作为柔性衬底。与聚合物相比，超薄玻璃作为无机材料，具有高热稳定性（工作温度可达~600°C）、表面粗糙度极低（<0.5 nm）、声波阻尼小、光学性能好且可大面积加工等优势。首先，采用直流磁控溅射技术在柔性玻璃上沉积了约2.7微米厚的c轴择优取向的氧化锌（ZnO）压电薄膜。优化后的沉积条件包括：衬底温度100°C，腔体压力2 Pa，O2/Ar流量比50/100 sccm，溅射功率200W，偏压-75V。通过X射线衍射（XRD）证实了薄膜的（0002）择优取向。随后，利用紫外光刻和剥离工艺，在ZnO/玻璃结构上制作了金（Au）叉指换能器（Interdigital Transducers, IDTs），构成了双端口SAW谐振器。研究制备了三种不同波长（λ = 12, 16, 20 μm）的器件以研究波长对性能的影响。最后，将预先合成的ZnO NWs和GQDs混合溶液滴涂在SAW器件表面，并在80°C热板上干燥，形成复合敏感层。为了测试不同GQDs浓度的影响，研究设置了低浓度（0.1 mg/mL）和高浓度（2 mg/mL）两组对比。器件最终被封装在柔性聚酰亚胺印刷电路板（PCB）上，并贴附于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）支撑片上以便测试。
第二环节：材料与薄膜表征。为了确保器件性能，对关键材料进行了详尽的表征。利用XRD分析了ZnO薄膜的结晶性和晶粒尺寸（计算平均值约为71.07 nm），并评估了薄膜的残余应力（约45.71 MPa）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了ZnO薄膜垂直于衬底的柱状结构。原子力显微镜（AFM）测量得到薄膜的均方根粗糙度（RMS）为6.14 nm。对于复合敏感层，通过SEM观察了ZnO NWs的形貌，并利用拉曼光谱（Raman spectroscopy）确认了GQDs的特征峰（D峰和G峰）存在于复合物中，证明了GQDs的成功引入。此外，采用能量色散X射线光谱（EDS）元素面分布图，直观展示了碳元素（来自GQDs）均匀分布在ZnO NWs上，证实了两种纳米材料的有效复合。
第三环节：SAW器件基础性能与湿度传感测试。首先，使用矢量网络分析仪测量了不同波长SAW器件的传输（S21）和反射（S11）频谱。所有器件均显示出清晰的瑞利波谐振峰，谐振频率（fr）分别为220.2 MHz (λ=12 μm), 169.63 MHz (λ=16 μm), 138.35 MHz (λ=20 μm)。计算得到的相速度随波长增加而略有增加（2642.4 至 2767.0 m/s）。更重要的是，器件表现出了高达约3.5%的有效机电耦合系数（k2）和约-45 dB的高信号幅度，这远优于此前报道的柔性聚合物基SAW器件（例如，ZnO/PI器件的k2约为0.7%，信号幅度约-55 dB）。添加复合敏感层后，器件的谐振频率和信号幅度基本保持不变，说明该涂层适合用于传感。
湿度传感测试在一个可控制湿度的铝制腔体中进行。通过调节流经水瓶的氮气流速来产生不同的相对湿度（RH）环境，并使用标准温湿度计校准。测试时温度恒定在约20°C。研究人员开发了LabVIEW程序来自动记录不同RH下器件谐振频率和插入损耗随时间的变化。研究系统测试了九种不同配置的传感器（D1-D9），变量包括波长、有无敏感层以及GQDs浓度。
第四环节：弯曲性能测试与可穿戴应用演示。为了验证器件的柔性实用性，将性能最优的传感器（D7， λ=12 μm，高浓度GQDs）弯曲固定在30°角的金属支撑件上，对比其在平直和弯曲状态下的湿度传感性能。此外，还进行了初步的可穿戴应用演示：将柔性SAW传感器佩戴于手腕，分别模拟环境湿度变化（使用加湿器）和检测人体呼吸过程，以展示其在个人健康监测中的潜力。
主要研究结果 1. 材料与器件基础性能卓越：表征结果确认了高质量c轴取向ZnO薄膜的成功制备，以及ZnO NWs与GQDs的有效复合。SAW器件本身表现出优异的声学性能，高k2值和高信号幅度为后续高灵敏度传感奠定了物理基础。这些性能的提升主要归功于超薄玻璃衬底的低声波损耗和高表面质量。
复合敏感层极大提升传感性能：湿度测试结果清晰显示了复合敏感层的显著效果。
优异的柔性实用性能：在30°弯曲状态下，传感器的湿度传感性能（频率偏移）与平直状态相比误差小于2.5%，表明其弯曲对性能影响甚微，适合用于曲面。
可穿戴演示成功：在手腕佩戴测试中，传感器能清晰、可重复地响应环境湿度的开关变化以及人体呼吸引起的湿度波动，验证了其在可穿戴电子设备中应用的可行性。
研究结论与价值 本研究成功开发并验证了一种基于超薄玻璃衬底、集成ZnO NWs/GQDs复合敏感层的柔性、透明、超灵敏SAW湿度传感器。该传感器打破了传统柔性SAW器件性能不足的瓶颈，在机电耦合系数、信号幅度和湿度灵敏度等方面均实现了突破性提升。
其科学价值在于：首次将超薄玻璃这一高性能无机柔性衬底系统性地应用于SAW传感器领域，并创新性地设计了ZnO NWs与GQDs的复合纳米结构作为敏感层，通过异质结工程和微纳结构调控，深刻阐释了协同提升湿度传感性能的物理化学机制。
其应用价值显著：传感器兼具高灵敏度、优良柔韧性、透明度和稳定性，为在复杂曲面、可穿戴设备、人机交互界面、个性化医疗健康监测（如呼吸监测、皮肤水分检测）等领域实现高性能湿度传感提供了全新的解决方案。这项工作为未来柔性电子和传感器的发展开辟了新的材料与器件架构思路。
研究亮点 1. 衬底创新：率先采用超薄柔性玻璃替代传统聚合物或金属箔作为SAW器件衬底，从根本上解决了柔性、高性能与低声波损耗难以兼得的矛盾。 2. 敏感层设计创新：创造性地将一维ZnO NWs与零维GQDs复合，构建了三维纳米复合敏感层。这种设计不仅极大增加了比表面积和亲水基团密度，更通过构建p-n异质结调控表面化学状态，从物理吸附和化学吸附两方面协同增强了对水分子的捕获能力，这是实现超高灵敏度的关键。 3. 性能突破：实现了40.16 kHz/%RH的创纪录高灵敏度，同时器件保持了高信号质量（~45 dB幅度）和高机电耦合系数（~3.5%），综合性能指标处于领先水平。 4. 验证全面：研究不仅完成了标准的材料与器件表征、灵敏度测试，还深入进行了弯曲状态性能测试和实际可穿戴场景演示，系统性地证明了该传感器的实用化潜力。
其他有价值内容 论文还探讨了传感器谐振频率对灵敏度的影响，验证了频率越高灵敏度越高的趋势（符合δf ∝ fr²的理论关系）。此外，研究团队提供了详尽的补充信息，包括ZnO NWs/GQDs复合材料的制备工艺、ZnO NWs的尺寸统计与比表面积计算、以及传感器的湿度分辨率测试结果（优于1% RH），这些内容为其他研究者复现和深入理解本研究提供了重要参考。