《Sensors and Actuators B: Chemical》：Electrochemical humidity sensors based on LiCl/carbon ink with adjustable humidity sensing and enhanced power generation performances
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冷星宇|王楚涵|段在花|王毅|王庆义|袁真|江亚东|太平慧玲中国电子科技大学（UESTC）光电科学与工程学院电子薄膜与集成电路国家重点实验室，成都611731，中国摘要基于氧化还原反应和水分子吸附/解吸机制的电化学湿度（ECH）传感器近年来受到了广泛关注。然而，在ECH传感器上同
冷星宇|王楚涵|段在花|王毅|王庆义|袁真|江亚东|太平慧玲
中国电子科技大学（UESTC）光电科学与工程学院电子薄膜与集成电路国家重点实验室，成都611731，中国
摘要
基于氧化还原反应和水分子吸附/解吸机制的电化学湿度（ECH）传感器近年来受到了广泛关注。然而，在ECH传感器上同时实现高精度湿度检测和发电性能是相当困难的。在这项工作中，我们提出了使用LiCl/碳墨水作为湿度传感材料的ECH传感器。通过调整LiCl的浓度，可以制备出具有可调湿度检测性能的LiCl/碳墨水ECH传感器，从而方便地为不同需求定制湿度传感器。具体来说，在室温（25°C）下，当LiCl浓度为0.1 mol/L时，该ECH传感器在10%–90%的相对湿度（RH）范围内表现出良好的线性响应，响应/恢复时间短（分别为18.7秒和14.1秒），且重复性良好（20次循环后）。在100% RH时，传感器的输出电压达到0.792 V。含有0.1 mol/L LiCl的LiCl/碳墨水ECH传感器适用于中等至高湿度检测；而当LiCl浓度为0.5 mol/L时，传感器在1%–10% RH范围内表现出良好的线性响应，适用于低湿度检测。在发电性能方面，与单一LiCl ECH传感器相比，碳墨水中的导电炭黑显著降低了LiCl/碳墨水ECH传感器的内部电阻，并在100% RH时使输出功率提高了16.7倍。此外，LiCl/碳墨水ECH传感器还可用于非接触式开关和呼吸频率检测。
引言
湿度传感器在智能家居、工业制造、农业生产以及生理健康检测等多个领域有着重要应用[1]、[2]、[3]。近年来，在各种湿度传感器中，自供电电化学湿度（ECH）传感器逐渐成为研究热点[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。ECH传感器的湿度检测和发电性能主要取决于湿度传感材料和电极，其中湿度传感材料是关键且被广泛研究的对象[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。迄今为止，许多湿度传感材料已被用于制造ECH湿度传感器，并成功提升了其检测和发电性能。例如，WS2纳米片[11]、聚苯胺[12]等亲水材料由于其对水分子的良好吸附能力而表现出良好的湿度检测性能；羟基化多壁碳纳米管（OH-MWCNTs）[13]、氧化石墨烯[14]等导电材料因其优异的导电性能够显著降低ECH传感器的内部电阻，从而提高发电性能；LiCl[15]、NaCl[16]等盐类材料具有强离子导电性，有助于ECH传感器的离子传导。为了进一步提升湿度检测和发电性能，通常会选择NaCl/OH-MWCNTs[13]和NaCl/海藻酸钠[17]等复合材料，以结合不同材料的优点。然而，使用相同的湿度传感材料，难以在ECH传感器上同时实现高精度湿度检测（如宽湿度范围、高分辨率、低湿度检测以及快速响应/恢复速度）和发电性能。通过调整不同材料的组成来获得具有不同湿度检测性能的ECH传感器具有重要意义，以满足不同检测场景的需求。
作为一种典型的盐离子吸湿材料，LiCl已被用于ECH传感器的制造[15]、[18]，但其强烈的吸湿性会导致高湿度环境中的水分饱和，从而失去响应线性。同时，在低湿度区间（<10%相对湿度RH）时，由于吸湿能力有限，响应也会下降[15]、[18]。这些因素共同限制了整个检测范围。此外，纯LiCl的中等导电性会导致较高的内部电阻，从而限制了ECH传感器的输出功率。碳墨水富含碳纳米颗粒，具有良好的亲水性和导电性[19]、[20]。我们之前的研究已证明它可以作为湿度传感材料，对低湿度具有良好的响应能力，并成功应用于高性能电阻式湿度传感器的制造[20]。预计将两种常见材料（LiCl和碳墨水）结合使用，有望制造出兼具高湿度检测和发电性能的ECH传感器。
基于上述分析，我们提出了基于LiCl/碳墨水湿度传感材料和Cu/Zn电极的ECH传感器。这种设计结合了LiCl的强吸湿性和离子导电性与碳墨水的良好导电性和低湿度灵敏度，实现了可调的检测范围和高功率输出。为了验证其实际价值，将LiCl/碳墨水ECH传感器集成到了实时呼吸监测系统中。结合信号处理电路和显示电路，成功实现了呼吸频率的连续实时监测。
部分摘录
材料
LiCl（纯度99.0%）购自中国Aladdin Chemical Co., Ltd.；碳墨水（主要成分：碳纳米颗粒、去离子水、表面活性剂和抗沉淀剂；Boss品牌）购自中国贵州Boshi Chemical Co., Ltd.；铜箔带（厚度约60 μm）购自中国Wanli Magnetic Tape Co., Ltd.；锌箔（厚度约65 μm）购自中国Guangdong Alcesse Metal Technology Co., Ltd.；陶瓷基底（尺寸：10 mm × 10 mm）……
LiCl/碳墨水ECH传感器的表征
针对两种具有最佳湿度检测性能的LiCl/碳墨水ECH传感器（LiCl浓度分别为0.1 mol/L和0.5 mol/L），对其表面形态和接触角进行了表征。图2a和2b显示了LiCl浓度为0.1 mol/L和0.5 mol/L的LiCl/碳墨水ECH传感器的低倍率SEM图像，可见Cu和Zn电极之间形成了均匀的湿度传感膜。图2c和2d的高倍率SEM图像进一步展示了其表面细节……
结论
总之，本文提出了使用LiCl/碳墨水作为湿度传感材料的ECH传感器。通过简单调整LiCl的浓度，可以制备出具有可调湿度检测性能的LiCl/碳墨水ECH传感器，适用于不同的湿度检测场景。当LiCl浓度为0.1 mol/L时，该传感器在10%–90% RH范围内表现出良好的线性响应，适用于中等至高湿度检测；当LiCl浓度为0.5 mol/L时……
作者贡献声明
冷星宇：撰写——原始稿件、方法论研究。王庆义：方法论研究。王毅：验证、方法论研究。段在花：撰写——审核与编辑、验证、监督、方法论研究、资金获取、概念构思。王楚涵：撰写——原始稿件、方法论研究。太平慧玲：撰写——审核与编辑、资金获取。江亚东：撰写——审核与编辑。袁真：撰写——审核与编辑。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
本工作得到了国家杰出青年科学基金（项目编号62225106）、国家自然科学基金（项目编号62301114和U24A20229）以及四川省创新研究群体项目（项目编号2025NSFTD0008）的支持。
冷星宇目前正在中国电子科技大学（UESTC）攻读光电信息科学与工程专业的学士学位，并在大学生创新创业培训计划的支持下研究湿度传感器。
