- 文献综述（或调研报告）：
在过去的几十年里，各种用途的化学传感器得到了巨大的发展[1，2]。具有预警信号的有害气体在医疗诊断、环境保护、工业制造等领域发挥着越来越重要的作用。湿度测量是各种应用领域中最重要的问题之一，例如在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制[3]。但是在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。在过去，人们使用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度，这样的方法早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。在这种情况下，高精度的湿度传感器显得尤为重要。
电容式湿度传感器是一种低成本、易于集成的典型传感器。它的工作原理是由于水和传感器材料之间的介电常数不同，传感器材料的吸水率会导致介电常数的变化，从而导致电容的变化。相应地，电容与传感器材料中的含水量有关。由此，问题转向了选择合适的传感器材料。
近年来，随着材料研究的巨大发展，具有原子厚度层的新型二维材料所制造的湿度传感器得到了广泛的研究，如WS2、MoS2和石墨烯[4]。石墨烯具有机械强度高、比表面积大、电导率高，响应快、灵敏度高、长期稳定性好等优点。研究证明，石墨烯不仅可用作压力传感器，也可用作湿度传感器[5]。比如厚度为15 nm的电容式GO湿度传感器具有30 ms的超快响应和恢复时间，可用于检测哨声[6]。同时，氧化石墨烯(GO)也是高响应、快速响应的高性能湿度传感器的理想选择，它是一种部分氧化结构的石墨烯衍生物[7]，富含COOH，Cminus;Ominus;C，Cminus;OH等官能团。石墨烯本身是疏水的，但其官能团通常是亲水性的。作为一种高水溶性的两亲材料，其工作的能力使它成为独一无二的材料，另外GO具有制备简单、产量高、易于功能化等优点，所以是高性能传感器的理想选择。基于GO的高性能电容式湿度传感器最近有报道[8]。研究人员在十分之一的相对湿度(RH%)范围内，对具有高响应度的GO传感器进行了常规实验，观察到在室温下迅速响应时间为几十微秒。这些特性表明GO湿度传感器与传统的传感器非常不同。研究人员又使用GO薄膜制作了电容式湿度传感器[9]。在室温下，As沉积传感器具有较大的响应性(在12minus;97% RH%范围内电容变化了2个数量级)和快速响应(tau;95小于0.1s)。研究人员为了深入了解Go的传感机理，采用了傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术对GO薄膜在不同湿度下稳态和瞬态下的结构信息进行了解析[9]。结果表明在RH变化过程中，存在水分的吸收和释放，并与传感过程直接相关，这也导致了Go薄膜厚度的明显变化(4.6times;10-3 nm/Rh%/层)。GO结构中的取水伴随着GO结构与水之间氢键的形成。故液态水在感测过程中也起着重要的作用。研究人员讨论了GO膜中的协同传感机理：官能团工作以保留水并产生更大的层间距以便于水的运输，没有官能团的区域用作水输送的有效通道。亲水性官能团在疏水层结构中的共存形成了一个原型结构模型，从而实现了这一协同过程，并获得了高的材料性能。
此外，传感器的一个主要参数就是灵敏度，它对应用具有重要意义，研究表明它是由薄膜结构来决定。研究人员发现，传感器的响应（电阻的增加、减少和非单调行为）会因薄膜结构的不同而不同：水分子的吸附会导致晶界区载流子浓度的降低，故导致薄膜电阻率的增加。另一类具有较高俘获截面的导电中心是在MLG薄膜边缘缺陷处吸附水分子(在H3O 上形成具有离子电导率的导电链)的情况下实现的。如果这些链形成一个渗流网络，薄膜电阻率就会降低。水的边缘缺陷的俘获截面被认为高于域边界缺陷的俘获截面。水的反效应之间的竞争结果取决于膜的结构，最终决定了湿度传感器的响应。研究发现传感器灵敏度随边缘缺陷密度的增加而增加。因此，通过创建具有特定类型缺陷的层，可以控制传感器灵敏度符号和幅度[10]。
另外在实际应用中，传感器需要的不仅仅是高灵敏度，它还要求一些特定要求。比如当湿度传感器作为一种理想的呼吸监测器时[11]，它需要具有高于60％的相对湿度和高达接近100％的闭合系统。据此，研究者设计并制备了一种疏水表面均匀分布环状皱纹的石墨烯薄膜湿度传感器，具有良好的气敏性能[12]。铜-锌(Cu-Zn)合金上生长的CVD石墨烯，具有独特的起皱形貌和良好的湿度敏感性。该传感器在口罩中成功应用于呼吸监测，在50个呼吸周期内具有良好的稳定性，响应恢复周期为12.5 ms，分别是报道的呼吸监测仪中第二好的和最高的。该传感器对温度变化也表现出较高的耐受性。这种传感器的空前性能归功于特别设计的CVD生长过程，它故意制造缺陷和晶界，以增加对水蒸气的敏感性[14]。此外，石墨烯的疏水性和粗糙表面能够防止水滴聚集，这有助于在高湿度水平下传感器的超快水蒸发和高稳定性[15,16]。对比氧化石墨烯(GO)这种材料，虽然GO具有很高的亲水性，对湿度有很高的敏感性。然而，它对水的强烈亲和力导致了水的缓慢解吸，这不利于高湿度水平下的湿度传感[13]。此外，表面过量的水会阻塞传感表面，导致设备失效。
文献调研的工作帮助我理解了基于GO的湿度传感器以及石墨烯传感器的内在原理。接下来，我们应在现有研究的基础上，根据现有的石墨烯湿度传感器特性，设计一套完整且稳定的驱动电路来实现测定湿度的目的。
参考：[1] Wang T, Huang D, Yang Z, Xu S, He G, Li X, Hu N, Yin G, He D and Zhang L, 2016. A review on graphene-based gas/vapor sensors with unique properties and potential applications Nano-Micro Lett. 8, 95–119
[2] Tripathi K M, Kim T Y, Losic D and Tung T T, 2016. Recent advances in engineered graphene and composites for detection of volatile organic compounds (VOCs) and noninvasive diseases diagnosis Carbon. 110, 97–129
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