传统湿度传感器的响应时间较慢，且通常用于宏观环境下的湿度变化检测，难以在微小尺度上进行快速、精准的湿度场测量，存在局限性。团队提出了一种快速响应光学湿度传感器用于非接触式感知。通过在氧化石墨烯（GO）上接枝赖氨酸对传统石墨烯材料进行改性，制备了量子点石墨烯（GQD）胶体悬浮液。这种改性不仅提高了水溶性，从而增强了碳基材料与光纤之间的附着力，还增强了GO的亲水性，进而增加了 GQD 的折射率变化。通过光驱动沉积法在 TFBG 上均匀镀上 GQD湿度敏感膜。当 TFBG 暴露在不同的湿度环境中时，其包层模式的强度会因 GQD 折射率的变化而改变，通过对人体湿度场进行测量，可以间接地获取有关手指运动和定位的数据。图1显示了GQD的合成机制、材料表征，TFBG的传感机制，以及湿度检测装置示意图。图2为该传感器不同湿度下的响应曲线及其灵敏度分析结果。图3为传感器响应时间测试与稳定性测试结果。图4为传感器非接触式手指距离检测示意图与检测结果。
图 1 (a) GQD 的合成过程；(b) GQD 的 EDS；(c) 湿度传感器的结构；(d) TFBG 表面的扫描电镜；(e) 湿度检测的实验装置。
图 4 (a) 非接触式手指距离检测示意图；(b) GQD 涂层 TFBG 对非接触式手指距离检测的响应。
该研究提出的湿度传感技术，能够在不接触物体的情况下，通过测量人体自然湿度场的微小变化，实现对手指位置和运动的高灵敏度检测。在非接触传感实验中，该传感器能准确检测到六种不同的手指运动状态，尤其是对于接近、悬停和远离等运动状态给出较好的快速响应，该传感器有望用于人工智能领域的人机交互非接触控制。
论文第一作者为研究生石宇飞，通讯作者为沈常宇，共同通讯作者为高峰和周俊。团队近年来在光纤生化传感方面做了大量研究工作，并进一步将这些传感器应用于人机交互领域包括非接触式感知（Optics Letters, 49 (15), 4258-4261(2024)）、高灵敏核酸检测（Biosensors and Bioelectronics 242 (2023) 115719）、重金属检测（Sensors & Actuators: B. Chemical 393 (2023) 134247）等领域。这些工作得到国家自然科学基金(12274386)、国家重点研发计划（2021YFF0600203）和中国计量大学基础研究基金（2023YW74）等资助。
论文信息
DOI: 10.1016/j.snb.2024.136541.
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400524012711
研究团队简介
中国计量大学沈常宇教授领衔的“光纤激光和智能感知研究团队”主要从事新型光纤激光器、光纤生化传感器、触觉感知传感器计量、低频电磁无损检测与探伤等方面的研究。团队近年来在Biosensors and Bioelectronics、Optica、Laser & Photonics Reviews、Sensors and Actuators B: Chemical、Optics Letters、Analytica Chimica Acta、Applied Physics Letters、Optics Express国际期刊等方面发表了多项研究成果。
--课题组供稿
