基于量子点石墨烯的高灵敏湿度检测及其非接触式感知应用

导读

近日，中国计量大学光学与电子科技学院沈常宇教授课题组研究了一种基于量子点石墨烯倾斜光纤光栅的高灵敏湿度传感器，并成功应用于非接触式人体感知，研究成果以High recovery speed optical humidity sensing enabled with GQD for non-contact finger distance detection为题发表在Sensors and Actuators: B. Chemical（中科院一区）上。

研究背景

非接触式传感广泛应用于自动化、医疗保健和安防等各个领域。对于飞速发展的仿人机器人领域，开发非接触式手指距离感知是一项具有广阔应用前景的研究重点。常见的非接触式感知传感器包括红外传感器、超声波传感器、电容式触摸传感器和湿度传感器。这些传感器可以检测物体的存在、距离、温度、位置和触感，并提供及时的响应和反馈。水占人体重量的 60% 以上，通过蒸发形成环绕人体的自然湿度场。因此，对这一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，是进行非接触式检测的关键方法。

研究亮点

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 2 (a) 相对湿度固定为 20% 和 90% 时 GQD 涂层 TFBG 的透射光谱；(b) 不同相对湿度与 1516.45 nm 处包层模式强度的关系；(c) (d) 相对湿度减小和 (e) 相对湿度增大时 1516.45 nm 处的核心模式、包层模式强度的线性拟合；(f) 相对湿度增大和减小时 1516.45 nm 处谐振波长的强度差。

图 3 (a) 响应时间测试；(b) 不同材料涂层光纤传感器的响应时间和恢复时间比较；(c) 两种固定相对湿度水平（40% 和 80%）下的稳定性测试结果；(d) 一周稳定性测试中 1516.45 nm 共振波长的强度。

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。

总结与展望

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

Yufei Shi, Fuxiang Wang, Feng Gao, Jianing Kang, Jun Wu, Ziqiao Ren, Jun Zhou, Jie Dong, Wenjun Zhou, Changyu Shen. “High recovery speed optical humidity sensing enabled with GQD for non-contact finger distance detection.” Sensors and Actuators B: Chemical (2024) 421: 136541.

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。