Microwave humidity sensor based on carbon dots-decorated MOF-derived porous Co3O4 for breath monitoring and finger moisture detection

材料科学 微波食品加热 湿度 水蒸气 光电子学 多孔性 纳米技术 相对湿度 复合材料 化学 电信 计算机科学 热力学 物理 有机化学
作者
He Yu,Cong Wang,Fan‐Yi Meng,Xiao Jin,Jun‐Ge Liang,Hyun‐Seok Kim,Sang‐Hoon Bae,Dan-Qing Zou,Eun‐Seong Kim,Nam‐Young Kim,Meng Zhao,Baoqiang Li
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:183: 578-589 被引量:67
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2021.07.031
摘要

This research investigates a microwave transduction-based humidity sensor that is a promising candidate for real-time clinical healthcare applications and green miniaturized wearable electronic devices. Optimization of sensing material, sensing platform, and device fabrication techniques produces a carbon dots (CDs)-decorated metal organic framework (MOF)-derived porous Co3O4 (CDs-Co3O4) microwave resonator-based sensor with excellent real-time humidity detection. Inspired by the water absorption component polyacrylamide in baby diapers, the acrylamide is adopted to synthesize CDs for microwave humidity sensor. Combining CDs with MOF-derived porous Co3O4 enhances humidity sensitivity under microwave excitation, with a frequency shift of 3.40 MHz/% RH and a loss variation of 0.15 dB/% RH between 5% and 99% RH. These values are 49.7% (for frequency shift) and 20.5% (for return loss) higher than Co3O4 sensor. Moreover, CDs-Co3O4 exhibits high selectivity towards water vapor against other volatile organic compounds, and the response or recovery time are both less than 5 s. Fabricated by an integrated passive device technology, the sensing platform is miniaturized at 0.98 × 0.80 × 0.22 mm3 with superb device stability and reliability. The CDs-Co3O4 sensor remarkably monitors respiratory patterns of breathing or apnea, as well as subtle changes in the humidity levels of an approaching finger. A charge transfer process and microwave interactions are the mechanisms for improved humidity sensitivity.
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