隔空开灯，你也可以

bushuang

提起人机交互技术，大家应该都不会陌生，例如可穿戴电子设备、远程医疗监控等。人机交互技术可以有效地将来自人体的各种信号“转换”为机器可以识别的信息，在智慧物联中有着重要应用。
 
% |8 b7 N* X# C, C湿度传感器：有效利用指尖汗液蒸发

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) a6 c9 U9 e6 g% u开发具有高灵敏度、快速响应的各种智能传感器尤为重要。常见的人机互动传感器，往往需要人体与其直接发生物理接触产生信号，例如压力传感器、应变传感器等。


但是，直接接触传感不仅会带来不可避免的机械磨损，还会限制其在更广范围，例如在有毒或有害环境中应用。不需要直接接触的非接触式传感器就可以有效弥补这些缺点，但常见的非接触式传感器往往需要较为复杂的制备流程和昂贵的制备设备，如红外传感器等。
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那么，是否有一种传感器，可以不直接接触人体，又不十分昂贵呢？湿度传感器就是这样的传感器。
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. f* X* W# D* J) n$ d: H可有效检测指尖湿度的湿度传感器，可以作为现有传感器的一个补充，即利用人手指尖的汗液蒸发产生的湿度作为信息源，可作为先进人机交互系统的新型控制方法。
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它的好处是：第一，不用与传感器发生直接的物理接触，可用于一些特殊场合，例如有毒有害或者敏感怕脏的环境中，同时由于没有机械触控，可以延长传感器的使用寿命；第二，结合了指尖的湿度和温度，这就使得它们比单纯的压力传感器对于人体信号探测的特异性更强一些；第三，通常采用氧化物作为传感材料，低成本，易制备，性能稳定；第四，可有效利用人体的代谢物汗液作为一种信息源，环保节能。
 
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图1a为基于MoO3纳米片湿度传感器的湿度传感系统原理图；图1b为以MoO3纳米片为传感材料，以柔性透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为衬底，铟锡氧化物(ITO)为电极的湿度传感单元结构示意图。
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基于MoO3纳米片湿度传感器：灵敏度高
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MoO3纳米片具有对环境湿度的高度敏感性。而以MoO3纳米片为传感材料，以柔性透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为衬底，铟锡氧化物(ITO)为电极的湿度传感单元所制备的湿度传感器，对外部相对湿度表现出出色的灵敏度，在很宽的相对湿度范围内，器件的电流变化了105倍。


表面吸附现象在湿度感知机制中起着重要作用。当环境相对湿度从低到高变化时，器件两端的电阻不断下降，电流不断增加。
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2 d# ^+ z& q* Q6 R6 ^' I* a  _, ^) D# v这种外传感器具有快速响应和恢复时间短的特点，还表现出长期稳定性，并且具有很好的机械灵活性。它可以应用于各种交互场景，如日常环境湿度监测、快速呼吸检测、非接触控制应用等。
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$ ~1 q5 U5 t4 Z& D用指尖遥控开关


2 s( Z) X$ e0 i/ H如图2a中的I-t曲线显示，随着手指的接近，湿度传感器的电流急剧增加。当指尖与传感器之间的距离从8mm、5mm，再到1mm逐渐缩短时，电流增加约10倍、30倍和200倍。这说明指尖与传感器的距离变化可以引起传感器响应的快速变化。该测试期间环境相对湿度为40%，在低湿度环境下，电流响应会更大。
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图2 基于单个MoO3纳米片湿度传感器的智能非接触式多级开关
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于是，科研人员设计了一种智能非接触控制开关系统，当手指接近和离开设备时，两个LED灯将依次打开和关闭，图2d,e就显示了这个过程。当手指距离设备5mm时，只有一个LED灯亮着(图2e)。当距离减小到3mm时，两个LED灯同时点亮(图2f)。
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5 @' Z9 ]5 V% c6 d$ K2 D不接触，即可操作控制屏
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6 Z+ r& g% d& n6 C这种传感器还能应用于人机界面。以MoO3纳米片湿度传感器阵列为例，科研人员研制了一种柔性透明非接触控制屏。
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图3a为透明PET衬底上的10×10湿度传感器阵列，具有良好的柔韧性和透明度。图3b为无线电路、手机和湿度感知矩阵组成的非接触控制系统的原理图。
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湿度传感器可以跟踪指尖的非接触运动轨迹，信号经过电路板处理，通过蓝牙无线传输到手机软件，这样，科研人员就可以实时在软件界面上看到轨迹映射。


为了进一步检验集成传感器矩阵的高分辨率能力，科研人员测量了湿度传感器矩阵上两个手指的相对位置。需要注意的是，当手指接近一个感知单元几秒钟时，虽然表面水分的扩散影响了其他像素，但是主感测单元的电流变化明显大于周围像素的变化。因此，通过在电路程序中设置阈值，可以在技术上消除阵列像素之间的信号干扰，准确地检测出手指的运动趋势。然后将透明的传感阵列附着在手机表面，可实现实时的视觉手势非接触控制输入。


. b/ M9 b! ^7 S0 B/ {图4e显示了字母“E”的非接触控制输入。由于阵列的透明度很高，我们可以清楚地看到手机屏幕上的情况。这表明了基于MoO3纳米片的湿度传感器阵列作为非接触控制的远程交互屏幕的应用潜力。
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7 z6 [: }2 b. f+ L" `# Z' O图4c为研人员测量了湿度传感器矩阵上两个手指的相对位置。图4e显示了字母“E”的非接触控制输入。
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为了进一步研究该非接触阵列在人机交互中的应用，以柔性非接触控制屏应用于手机解锁的非接触控制为例。如图5所示，柔性阵列可以准确识别手指的运动轨迹，当轨迹完全符合程序模式时解锁手机，否则解锁失败。
 
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图5 柔性非接触控制屏应用于手机解锁的非接触控制



该项工作为基于氧化物纳米材料的湿度传感器在智能人机交互系统方面提供了较大的应用前景和可行性工艺。研究成果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201902801)期刊上。
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作者：沈国震、史瑞龙、杨珏晗、娄正


来源：中国科学院半导体研究所
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来源：http://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1573696805&ver=1973&signature=LygSiWtm-GD5wrk6345FYM-*LGa*TCUVigauALlRE5x2LgbjmX-CJMFfvFLZQg-T8N8hff9T2pGgVgcb-D2zQ8L8PBVEKDVhwSe7VGOGNXR29pSK59mVhbDacRHPSgL9&new=1
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