基于丙烯酸酯/氧化石墨烯复合膜的光学微腔湿度传感器：泵浦探测技术提升灵敏度及其呼吸监测应用

为解决传统电学湿度传感器易受电磁干扰、耐久性差的问题，深圳技术大学IOT光子集成器件与系统实验室的研究人员开发了一种基于丙烯酸酯/氧化石墨烯（Acrylate/GO）复合膜的光学微腔湿度传感器。通过引入980 nm泵浦光技术，传感器灵敏度提升至357.53 pm/%RH（相对湿度），响应时间仅0.32秒，可精准区分正常、快速、慢速及呼吸暂停模式，在医疗和运动监测领域展现出重要应用价值。

　　

湿度监测在医疗、环境、工业等领域至关重要，但传统电学传感器易受电磁干扰且耐久性不足。光学湿度传感器虽能解决这些问题，却面临灵敏度与响应速度难以兼顾的挑战。如何通过材料创新和光学技术突破这一瓶颈，成为当前研究热点。

深圳技术大学IOT光子集成器件与系统实验室的研究人员提出了一种创新解决方案：他们将丙烯酸酯（Acrylate）与氧化石墨烯（GO）复合，通过3D打印技术在单模光纤（SMF）端面构建开放式光学微腔，并引入980 nm泵浦光增强灵敏度。这项研究发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》上，为高精度实时湿度监测提供了新思路。

研究团队采用三项关键技术：1）通过旋涂工艺制备245 nm厚的Acrylate/GO复合膜；2）利用光固化3D打印技术制作开放式微腔传感器外壳；3）结合泵浦探测技术，通过光热效应和光生载流子效应提升灵敏度。

制造与分析

研究人员通过优化Acrylate/GO质量比（100:1）和紫外固化工艺，制备出均匀的复合膜。扫描电镜显示薄膜厚度为245 nm，3D打印的微腔结构通过精密对准实现137.29 μm的腔长。反射光谱分析显示，传感器自由光谱范围（FSR）为8.75 nm，为湿度响应提供了稳定干涉信号基础。

传感原理

复合膜中Acrylate的极性基团与GO的层状结构协同作用：Acrylate通过氢键吸附水分子导致折射率（RI）变化，GO则通过纳米层间间隙加速水分子扩散。泵浦光作用机制包含两方面：光热效应（公式8-11）使GO吸收光子转化为热能，光生载流子效应（公式12）改变GO表面电导率，二者共同增强湿度响应。

实验结果

在14.1%-85.2% RH范围内，无泵浦光时灵敏度为151.11 pm/%RH；引入5 mW和10 mW泵浦光后，灵敏度分别提升1.4倍和2.4倍。温度实验显示2 nm/°C的交叉灵敏度，通过环境温控（24.8°C）可消除干扰。呼吸监测实验中，传感器以0.32秒响应时间和1.40秒恢复时间，清晰区分四种呼吸模式（图5）。

性能对比

与现有技术相比（表1），该传感器兼具宽检测范围（14.1-85.2% RH）、高灵敏度（357.53 pm/%RH）和快速响应（0.32 s）三大优势。例如，其灵敏度是PVA涂层法珀传感器（Wu et al., 2016）的15倍，响应速度比MXene复合传感器（Liu et al., 2024）快37倍。

这项研究通过材料复合与光学技术创新，成功解决了湿度传感器灵敏度与响应速度的权衡难题。Acrylate/GO复合膜的光学微腔设计结合泵浦探测技术，不仅实现了医疗级呼吸监测精度，其3D打印制备工艺更为工业化生产提供了可能。未来，该技术可拓展至可穿戴设备、ICU监护等领域，为精准医疗和运动生理学研究提供新工具。