集成纤维的水凝胶微瓶谐振器用于自解耦式温湿度传感

《Optical Fiber Technology》：Fiber-integrated hydrogel microbottle resonator for self-decoupled temperature and humidity sensing

　　

摘要

在环境评估、生化处理以及医疗相关仪器中，需要对相对湿度与温度进行精准监测。但实际上，这两种量在测量过程中存在密切关联。为此，我们设计并开发了一种具有自解耦功能的复合微瓶谐振器传感器。该传感器利用聚合物微瓶谐振器与水凝胶复合涂层的协同效应，实现了对温度和相对湿度的同步、高灵敏度且高精度的检测。实验结果表明，所设计的微瓶谐振器对温度和相对湿度均有敏锐响应，其相对湿度最大灵敏度可达175皮米/百分比相对湿度，温度最大灵敏度则为-202.5皮米/摄氏度。此外，通过分析不同谐振模式对温度和相对湿度变化的差异响应，我们构建了二维传感矩阵，从而在光谱层面实现混合信号的物理解耦。解耦后的最大均方根误差分别为0.18摄氏度和0.31百分比相对湿度，显示出极高的测量精度。因此，我们所开发的微瓶平台为高精度双参数光学传感提供了一种简单且可重复的解决方案。

引言

温度与相对湿度是两种基本的环境参数，在大气监测、仓储管理、生物医学实验以及精密仪器操作中常常需要同时获取[1]、[2]、[3]、[4]。然而，对这两者的同步测量并非简单地将两个独立的单参数测量结果叠加即可。水的吸附、蒸发和凝结过程都受温度影响，而温度变化又会改变饱和蒸汽压以及那些对湿度敏感的材料的物理状态[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。正因如此，仅能检测一种光学或电学信号的传感器在温度和相对湿度同时波动时很容易产生偏差。因此，在封闭或环境条件不断变化的情况下，就需要一种能够在同一检测通道内区分这两种信号影响的紧凑型传感装置，以实现可靠的监测[11]、[12]、[13]、[14]。

目前已有多种传感平台被用于实现这一目标。半导体和光电型湿度传感器易于微型化，但其信号可能会受到电磁干扰、灵敏层老化等因素的影响[15]、[16]。光纤传感器则具备电气绝缘性、可远程检测的优点，且能很好地适应恶劣环境[17]、[18]、[19]、[20]。近年来，基于不同光学结构的光纤相对湿度传感器也得到了广泛研究[21]、[22]。例如，赵等人就提出了一种基于范尼尔效应的级联法布里-珀罗光纤传感器，可用于同时检测相对湿度与温度[23]。但这类传感器大多仍依赖额外的参考元件，或者波长响应范围较为有限。而回音壁模式微谐振器由于其谐振波长会对谐振器尺寸、有效折射率以及边界条件的微小变化产生强烈响应，因此非常适合用于环境监测[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。近期，一些基于聚合物微球和微泡的传感器也展现出了对相对湿度或温度的良好响应能力[31]、[32]。不过，目前许多已报道的传感器要么只能检测一个参数，要么需要采用外部光纤布拉格光栅之类的混合结构，又或者其制造和转移过程会增加不同器件之间的差异性。此外，虽然人们在回音壁模式系统中探索过双模式矩阵解耦技术[33]、[34]，但将其应用于可直接制造的纤维微瓶平台以实现温度和相对湿度的自解耦检测，目前还处于发展初期。

在本研究中，我们提出了一种集成光纤的回音壁模式微瓶传感器，可用于同时检测温度与相对湿度。该传感元件的制作方法是在锥形光纤上直接成型聚合物微瓶谐振器，然后在其表面涂覆一层具有响应功能的水凝胶，这一设计不仅简化了制造流程，还提升了器件的结构整合性。所制备的传感器对相对湿度与温度的变化都能展现出明显的光谱响应特性。在60–72百分比相对湿度的优化检测范围内，该传感器的最大灵敏度可达175皮米/百分比相对湿度。通过调整涂层参数进行的进一步测试表明，该传感器的检测范围可扩展至35–95百分比相对湿度，这进一步证明了通过涂层设计可以调控其工作范围。同时在28–40摄氏度的温度范围内，该传感器的温度灵敏度可达-202.5皮米/摄氏度。更为重要的是，通过分析基模和高阶回音壁模式谐振器的不同光谱响应，我们构建了一个二维灵敏度矩阵，从而在光谱层面实现了温度与相对湿度信号的解耦。解耦后的最大均方根误差分别为0.31百分比相对湿度和0.18摄氏度，显示出极高的测量精度。此外，该传感器还具有良好的可逆性和稳定性，这为其在紧凑型、高精度环境下监测相互关联的环境参数提供了可能。

章节节选

传感机制

如图1(a)所示，所设计的传感器由一个聚合物微瓶谐振器构成，该谐振器固定在锥形光纤上，表面则涂覆有基于聚乙二醇二丙烯酸酯的复合水凝胶。在PEG-DA网络中引入聚丙烯酸和聚N-异丙基丙烯酰胺，使得这种涂层具备两种不同的功能：一是增强吸水能力，二是根据温度变化发生体积收缩。当复合微瓶中激发出回音壁模式谐振后，随着

光学特性分析

首先，我们对不同直径的复合微瓶谐振器的回音壁模式光谱进行了分析，以此验证该传感器的谐振特性。图4(a)展示了三种涂层厚度分别为约5微米、11微米和13.5微米的微瓶谐振器的回音壁模式共振光谱。随着微瓶直径从50微米增大到67微米，其自由光谱范围从10.56纳米减小到7.9纳米。对于直径约为62微米的微瓶，测得的自由光谱范围约为8.54纳米，这一数值

结论

总之，我们成功研制出一种基于直接安装在锥形光纤上的、带有水凝胶涂层的聚合物微瓶谐振器的自解耦型温度与湿度传感器。这种水凝胶涂层能够通过膨胀和热致收缩作用，将相对湿度与温度的变化转化为相反方向的回音壁模式波长偏移。在该传感器中，60–72百分比相对湿度范围内的相对湿度最大灵敏度可达175皮米/百分比相对湿度，28–40摄氏度的温度范围内温度最大灵敏度则为-202.5皮米/摄氏度。通过运用

作者贡献说明

王佩宇：撰写原始稿件、数据可视化、方法设计、实验研究。王烨：撰写审稿与编辑稿件、结果验证、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。马克新：撰写原始稿件、软件应用、实验研究。胡玉豪：负责数据可视化、方法设计、实验研究。王岩：撰写审稿与编辑稿件、结果验证、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：河南省自然科学基金（项目编号：262300421245）；河南省科技重大专项（项目编号：231100220800）；HNQSTIT项目（项目编号：2022112）；河南省研究生教育改革与质量提升项目（项目编号：YJS2025GZZ09）；博士科研启动基金（项目编号：2022BSJJZK18）。

王佩宇|王烨|马克新|胡玉豪|王岩

中国郑州，郑州轻工业大学电子与信息学院，邮编450001