基于二硫化钼的电容式土壤湿度传感器
李露1，2，3， 葛玉卿1，2*， 赵建龙1，2*
（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海200050，中国；2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049，中国；3.中国科学院大学，北京 100039，中国）
摘要：
［目的/意义］土壤中含水率直接影响农作物生长状态和产量。开发出一种可靠、高效的土壤湿度传感器对实施农田科学灌溉具有重要指导意义。
［方法］本研究提出一种基于微加工工艺制备的二硫化钼电容式土壤湿度传感器，通过叉指电极上同一平面上的金电极阵列实现数个电容并联，表面修饰二硫化钼作为敏感层实现对土壤湿度的测量。通过计算及使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件研究电极参数对电容敏感度的影响，最终确定电极参数使用10 μm间距、75对叉指。
［结果和讨论］在保证测量精度的前提下，大大缩小了传感器的体积，可以实现土壤湿度的原位动态监测。在室温下相对湿度值从11%变化到96%时，电容式土壤湿度传感器在200 Hz频率下的电容输出为12.13 pf~187.42 nF；当土壤含水量由8.66%增加到42.75%时，传感器的电容输出在200 Hz频率下由119.51 nF增长到377.98 nF，显示出较高的湿度灵敏度及较宽的敏感范围。
［结论］本研究提出的土壤水分传感器有望实现原位长期监测电容式土壤传感器的电容变化，从而监测土壤湿度的变化。
关键词： 土壤传感器；二硫化钼；电容式传感器；微机电系统
图1 二硫化钼的结构
Fig. 1 The structure of MoS2
图2 叉指电极的结构及电势
Fig. 2 The structure and potential of IDE
图3 微孔膜封装的电极
Fig. 3 IDE encapsulated in microporous membranes
图4 MoS2的扫描电子显微镜表征
Fig. 4 Seamning eleetron microseope characterization of of MoS2
图5 MoS2湿度传感器电容—湿度曲线
Fig. 5 MoS2 moisture sensor capacitance-humidity curve
图6 MoS2湿度传感器的湿度响应
Fig. 6 MoS2 moisture response of the moisture sensor
图7 MoS2土壤湿度传感器在土壤中湿度-电容曲线
Fig. 7 MoS2 soil moisture sensor humidity-capacitance curve
图8 MoS2土壤湿度传感器重复响应曲线
Fig. 8 Repetition curve of MoS2 soil moisture sensor
图9 MoS2土壤湿度传感器的灵敏度
Fig. 9 Sensitivity of MoS2 soil moisture sensor
作者简介
赵建龙博士，现任中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，国家纳米重点研发计划项目总体组专家。主要从事微纳生化传感技术在重大疾病检测和环境污染物监测方面的研究。曾任国家纳米重大科学研究计划项目首席科学家和中科院知识创新工程重大项目首席科学家。研发成功了丙肝基因分型检测芯片，获得国家一类新药证书（国药证字S20030036）。研制成功的尿蛋白检测仪、CTC分选仪等3个产品获得医疗器械产品注册证。申请发明专利200多项。2010年获国务院特殊津贴、2011年获上海市领军人才。2022年、2013年和2011年分别获得上海市技术发明一等奖1项（排名第一），上海市科技进步二等奖2项，获2015年获教育部自然科学奖二等奖。
葛玉卿博士，现任中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员。长期从事微纳生化传感技术领域的研究工作，主要研究方向体外诊断检测和器件、微生理系统、环境监测传感器的研制和应用。作为项目/课题负责人和课题骨干承担国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、中国科学院先导项目、上海市重点科技攻关项目等20多项重大科研任务，取得多项国际创新性成果。在国内外际知名期刊发表论文50余篇；申请国家专利26项，授权6项；2018年荣获高等学校科学研究优秀成果自然科学一等奖（排名第七）；2022年入选中国科学院特聘骨干岗位。
来源：《智慧农业（中英文）》2024年第1期
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本期支持单位
淄博数字农业农村研究院
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