超薄氧化石墨烯涂层声表面波传感器实现远距离无源高灵敏度湿度检测

为解决复杂环境中湿度检测的供电与信号传输难题，中国科学院声学研究所团队开发了基于1 nm超薄氧化石墨烯(GO)涂层的反射延迟线型声表面波(SAW)传感器。该传感器通过氢键作用与声电-粘弹性耦合效应，在150 cm距离实现0.46 dB/%RH灵敏度、0.37% RH检测限及15秒级响应速度，为核电站等极端环境提供新型无源监测方案。

　　

在半导体制造、核电站监测等复杂环境中，传统湿度传感器面临供电困难与信号传输受限的挑战。现有技术中，基于表面声波(SAW)的传感器虽具备无线无源优势，但受限于敏感材料厚度与器件设计，难以兼顾远距离检测与高灵敏度。氧化石墨烯(GO)虽具有优异亲水性，但其在SAW器件上的应用常因材料厚度影响声波传播而降低性能。

针对这一技术瓶颈，中国科学院声学研究所团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，创新性地将1 nm超薄GO薄膜与反射延迟线型SAW器件结合。研究人员首先设计工作频率433 MHz的SAW芯片，采用41°YX-LN压电晶体基底，通过标准光刻工艺制作叉指换能器(IDT)和短路栅型反射器。利用原子力显微镜(AFM)验证GO单层厚度，并通过拉曼光谱确认其高氧化度(ID/IG=1.04)。自主研发的低噪声(<±0.003 dB)射频(RF)读取器构成无线传感系统。

反射延迟线型SAW传感芯片设计
通过优化IDT电极宽度(0.25λ)与反射器间距，实现高信噪比信号传输。三组反射器(R₁-R₃)设计增强信号辨识度，为150 cm远距检测奠定硬件基础。

GO特性表征
透射电镜(TEM)显示GO呈单层褶皱结构，X射线光电子能谱(XPS)证实其C/O比为1.51。这种高氧化特性促进羟基(-OH)与水分子形成氢键，为湿度响应提供活性位点。

湿度传感机制
研究发现传感过程包含双重效应：(1)GO表面-OH与H₂O的氢键作用；(2)水分子吸附引发的声电-粘弹性耦合效应。当相对湿度(%RH)增加时，GO薄膜质量负载与电导率变化共同调制SAW传播损耗。

性能指标
传感器在11-97% RH范围内呈现线性响应，灵敏度达0.46 dB/%RH，优于同类 hydrogel基传感器(0.13 dB/%RH)。响应时间(T₉₀=15.5 s)与恢复时间(T₁₀=16.1 s)较传统器件缩短50%以上，归因于超薄GO的快速吸附/脱附动力学。

该研究通过材料-器件-系统三级创新，突破无源湿度传感的距离-灵敏度权衡难题。Baile Cui等指出，1 nm GO的原子级厚度最大限度降低声波损耗，而高氧化度保障活性位点密度。所开发的RF读取器通过噪声抑制算法实现±0.003 dB稳定检测，为工业物联网中的环境监测提供新范式。这项技术有望应用于核反应堆管道监测、航天器密闭舱等传统传感器难以部署的场景，推动智能传感向"无源化、远距化、高精度"方向发展。