睡眠呼吸暂停综合征（OSA）是一种以夜间反复呼吸暂停、打鼾、睡眠碎片化和间歇性低氧为特征的常见睡眠障碍，不仅严重影响睡眠质量，还与高血压、冠心病、脑卒中和代谢紊乱等多种疾病风险密切相关。随着人口老龄化加剧和居家健康管理需求增加，对睡眠呼吸状态进行长期、连续、无感监测显得尤为重要。传统呼吸监测方法如多导睡眠图（PSG）、鼻导管和胸带等，虽能提供较准确的生理信息，但设备复杂、成本较高，且需与人体紧密接触，容易造成束缚感、皮肤刺激，甚至干扰自然呼吸，难以满足家庭长期监测和舒适睡眠的需求。理论上，基于呼出气湿度变化的非接触呼吸监测无需直接接触人体，具有舒适性好、可避免面罩导致二氧化碳积聚和压迫感等优势，被视为睡眠呼吸监测的重要发展方向。然而在实际应用中，呼出气湿度信号在开放环境中衰减快，且器件灵敏度有限，导致有效工作距离短，往往仍需借助面罩、鼻罩等接触式载体来缩短传感距离，并未从根本上解决接触束缚问题。因此，提高湿度传感器灵敏度和有效检测距离，实现真正的远距离、非接触呼吸监测，对居家场景下舒适无感的睡眠呼吸暂停监测与预警具有重要研究价值。

  传统溶液加工方法如滴铸、旋涂、静电纺丝等，通常会在电极表面覆盖较厚的湿敏材料，水分子需克服较长的扩散路径才能到达有效传感区域，导致响应速度慢、灵敏度低。与此同时，传统湿度敏感材料本身与水分子之间往往存在过强的结合作用，致使水分子脱附困难、响应恢复迟缓，循环稳定性不足。针对上述制备工艺与材料体系的双重难题，北京航空航天大学陈爱华教授课题组提出一种“局部滴铸”策略，构建了以吸湿性无机盐LiCl为捕水组分、疏水聚合物P(VDF-TrFE)为骨架、PVP为相容剂的多孔湿敏材料，并将其精准沉积于银叉指电极间隙。该工作是陈爱华教授团队在柔性传感器与智能健康监测方向的最新进展之一。

  2026年9月28日，该工作以“Localized-Casting Enabled Humidity Sensors with Ultrahigh Sensitivity for Long-Range Non-Contact Respiratory Monitoring”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上，北航为通讯单位，文章第一作者为北航材料学院博士研究生刘哲峰，通讯作者为陈爱华教授和苏州国家实验室赵永彬研究员。

  图1展示了局部滴铸的制备工艺流程，以及制备得到的薄膜所具有的均匀多孔结构，且电极与铸膜之间形成清晰界面。与全区域涂覆不同，局部滴铸只将湿敏材料沉积在有效传感区域，既缩短了水分子扩散路径，又避免了材料覆盖电极造成的无效电阻，为高灵敏、快响应奠定结构基础。

图1 局部滴铸制备工艺流程示意图，以及铸膜多孔结构和电极-铸膜界面。

  图2展示了器件的湿度响应基本性能。随相对湿度升高，器件电容数值升高且变化量单调增大，在11%~97% RH范围内表现出良好的线性响应，灵敏度达到2 μF/%RH，较常见纳法或皮法级湿度传感器高出约三个数量级；吸附/脱附滞后小于3% RH，响应和恢复时间分别为0.9 s和1.7 s。其响应曲线呈现“接触主导—扩散主导”的两阶段动力学特征，表明水分子可直接到达有效传感区域。器件在1000次湿度循环、120天存储、97% RH高湿存储14天、温度波动、气流扰动以及56°弯曲和1000次动态弯曲等条件下均保持稳定。此外，系统对比了局部滴铸与传统全区域滴铸、不同膜厚及工作频率对器件湿度响应性能的影响，确定10 Hz为最佳工作频率，且局部滴铸器件的性能明显优于全区域滴铸器件。

图2 器件的基础湿度响应性能；器件对不同测试条件的湿度响应性能稳定性；组分配比、滴铸方式、铸膜厚度、工作频率等参数对器件湿度响应性能的影响。

  图3揭示了器件超高灵敏度的材料组合与器件结构机制。在低湿条件下，Cl、O、F元素分布均匀，表明LiCl、PVP与P(VDF-TrFE)之间具有良好的相容性；而在高湿条件下，薄膜由白色转为半透明，EDS显示Cl元素明显富集，SEM中可观察到LiCl颗粒析出，证实发生了湿度诱导的可逆相分离。FT-IR谱表明，成膜过程中LiCl与PVP的内酰胺基团形成Li⁺-内酰胺配位，导致1450 cm^-1峰消失并出现1110 cm^-1新峰；吸水后，水分子破坏该配位作用，内酰胺环振动恢复。XRD进一步证实，吸水后出现水合LiCl-nH₂O晶相衍射峰。脱水过程中，在PVP和疏水P(VDF-TrFE)骨架的协同作用下，水合LiCl-nH₂O可重新溶解于聚合物骨架中，多孔结构得以恢复。这种湿度诱导的LiCl结晶/溶解行为提高了对水分子的捕获与利用效率，显著降低了残留在材料体系内部而未能转化为电信号输出的水分子比例。此外，局部滴铸使电场集中于电极间隙，水分子可直接进入最有效传感区域，从而显著放大电容变化。

图3 EDS、FT-IR、XRD等测试表征器件超高灵敏度的材料组合和器件结构机制。

  图4通过复阻抗谱和Bode图阐明了器件在不同湿度条件下的传感机制。在低湿（11%、33%、57% RH）条件下，器件阻抗较高，Nyquist曲线呈半圆状，可采用电阻与常相位元件并联的等效电路模型描述；此时水分子主要以化学吸附方式附着于材料表面，吸附量有限且彼此孤立，难以形成连续的质子传导网络。随着湿度升高至75%、85%和97% RH，器件阻抗显著下降，Nyquist曲线出现高频半圆和低频Warburg扩散尾，表明载流子传输过程显著增强；此时吸附行为转变为以物理吸附为主，水分子逐渐汇聚形成连续水层，其定向极化显著提升了材料的介电常数，同时伴随质子跳跃与载体扩散过程，导致电容显著增大。上述机制与材料的可逆相分离及局域电场集中效应共同构成了器件超高灵敏度的来源。

图4 器件在不同湿度条件下的传感机制。

  图5展示了器件在长距离呼吸监测与人体接近传感中的应用。将器件置于志愿者鼻孔下方5~50 cm范围内，均可稳定记录到清晰的呼吸波形；以20 cm距离为例，能够通过器件输出的电信号波形准确区分正常呼吸、深呼吸、呼吸急促和呼吸暂停四种呼吸状态。得益于其超高灵敏度，器件在开放环境中仍可捕捉微弱的呼出气湿度信号，有效检测距离达到50 cm，较传统湿度传感器通常小于10 cm的工作距离提升约5倍。进一步将手掌靠近器件，在1~5 cm范围内可输出脉冲式电容信号，而佩戴手套后该信号可忽略，表明响应信号主要来源于皮肤表面水分；基于此构建的非接触LED开关亦成功实现。与已有呼吸监测湿度传感器相比，该器件在灵敏度、响应速度和工作距离方面均展现出明显优势。

图5 器件在长距离呼吸监测与人体接近传感中的应用，对人体口鼻呼吸气流的有效检测距离达到50 cm。

  图6展示了基于器件的非接触式床载睡眠呼吸暂停监测舱。将5个器件安装于商用睡眠帐篷内壁，并围绕仰卧志愿者头部布置，分别对应左侧卧、右侧卧、仰卧、仰卧头左偏和仰卧头右偏五种睡姿。各传感器与鼻部距离约30 cm，均处于有效检测范围内。睡眠过程中，仅正对呼出气流方向的传感器产生明显响应，其余传感器保持基线输出，因此可通过响应通道序号识别睡姿；若所有传感器均检测不到有效呼吸信号，则判定为呼吸暂停。系统通过蓝牙将呼吸率、呼吸暂停低通气指数（AHI）和睡姿传输至手机App，当单次呼吸暂停持续时间超过45 s时，即触发铃声与振动报警。该睡眠舱为家庭睡眠呼吸监测提供了一种无束缚、高舒适、抗干扰的解决方案，同时展示了长距离非接触湿度传感在老年人、新生儿及烧伤患者等特殊人群健康监测中的应用潜力。

图6 非接触式床载睡眠呼吸暂停监测舱示意图与实物图，及其工作时采集信号波形图。

  该工作通过局部滴铸工艺、多组分协同和可逆相分离机制，实现了湿度传感器灵敏度、响应速度和工作距离的同步提升，并构建了面向睡眠呼吸暂停监测的非接触式监测舱，为柔性湿度传感器在家庭医疗与智慧健康领域的应用提供了新范式。

  原文链接https://doi.org/10.1002/adfm.78705

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