基于级联法布里-珀罗腔和明胶薄膜的高灵敏度微调式湿度和温度传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：High sensitive vernier humidity and temperature sensor based on cascaded Fabry-Perot cavity and gelatin film

　　

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  该传感器能够准确测量湿度和温度。
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  该传感器成本低廉、灵敏度高、制备简单且重复性良好。
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  该传感器在RH45%-60%的相对湿度范围内具有3.7 nm/%RH的湿度灵敏度，在RH60%-72%的相对湿度范围内具有7.39 nm/%RH的湿度灵敏度。
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  该传感器在20°C-40°C的温度范围内具有?3.4 nm/°C的温度灵敏度。

引言

相对湿度（RH）和温度传感被广泛应用于食品制造与储存[1]、[2]、[3]、人体健康监测[4]、[5]、[6]以及生物医学领域[7]、[8]、[9]等。然而，环境参数之间存在复杂的耦合效应：当环境温度发生变化时，湿度也会受到影响[10]。这种固有的耦合现象极大地阻碍了这两种参数的独立测量，因此开发能够同时检测湿度和温度的传感器对于多环境参数的精确量化具有重要意义[11]。

传统的商用电子湿度和温度传感器包括电容式和电阻式传感器等[12]。但由于受到较强的电磁干扰和较长的响应时间等局限性，这些传感器在高精度监测领域的发展受到限制[13]。与电子设备相比，光纤传感具有响应速度快、抗干扰能力强、传输距离远以及体积小巧等优点[14]。光纤湿度和温度传感的技术类型包括光纤光栅[15]、[16]、表面等离子体共振（SPR）[17]、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[19]和法布里-珀罗干涉仪（FPI）[21]、[22]、[23]。法布里-珀罗干涉仪因其结构紧凑、易于制造和测试而得到广泛应用[24]。制备光纤FPI湿度传感器通常需要将湿度敏感材料填充到共振腔中作为反射镜，目前常用的湿度敏感材料有聚乙烯醇（PVA）[25]、[26]、琼脂糖[27]、氧化石墨烯[29]、[30]和明胶[31]、[32]、[33]等。明胶作为一种湿度敏感材料，具有成本效益高、天然吸湿性、机械柔韧性和环境可持续性等优点[34]。尽管使用湿度敏感材料显著提高了光纤传感器的灵敏度，但通过这种方法制造的干涉仪传感器灵敏度仍然相对较低[35]。提高光纤传感器灵敏度的一种方法是利用光学微调效应[36]：通过叠加两个具有相似光栅周期（FSR）的干涉仪信号，可以得到微调光谱信号，并通过测量由于环境变化引起的微调信号包络的漂移，从而实现比单个干涉仪高几个数量级的灵敏度。

在本文中，我们基于级联的法布里-珀罗腔和明胶薄膜制备了一种高灵敏度的湿度和温度微调传感器。该传感器在RH45%-60%的相对湿度范围内具有3.7 nm/%RH的灵敏度，在RH60%-72%的相对湿度范围内具有7.39 nm/%RH的灵敏度；在20°C-40°C的温度范围内具有?3.4 nm/°C的温度灵敏度。通过构建双参数矩阵，可以实现湿度和温度的同时测量。该传感器制备简单、灵敏度高，在食品制造与储存、人体健康监测以及生物医学领域具有广泛的应用前景。

部分摘要

理论

传感器结构如图1所示，包括单模光纤（SMF）、空心光纤（HCF）和明胶薄膜。级联传感器由三个腔体组成：空气腔、明胶腔和空气-明胶腔。其中$n_1$是空气的折射率，$n_2$是明胶的折射率；L1是空气腔的长度，L2是明胶腔的长度，空气腔的设计长度明显长于明胶腔；L1+L2

湿度灵敏度

传感器的湿度灵敏度测试装置如图4所示，包括超连续光源（YSL SC-5）、环形器、光谱分析仪（OSA YOKOGAWA AQ6370D）和恒定温度湿度舱（ST-50LA）。

将传感器放入恒定温度湿度舱中，通过环形器连接传感器、光源和光谱分析仪。打开光源后，保持恒定温度湿度舱的温度和湿度在20°C。

结论

本文提出了一种基于级联法布里-珀罗腔和明胶薄膜的高灵敏度微调湿度湿度传感器。明胶薄膜的薄厚度使其能够形成具有较大放大系数的微调信号包络，从而实现高灵敏度的湿度传感器。实验结果表明，在RH45%-60%的相对湿度范围内，传感器具有较好的线性拟合效果，湿度灵敏度为3.7 nm/%RH；在RH60%-72%的相对湿度范围内，平均湿度灵敏度为7.39 nm/%RH。

作者贡献声明

张雅迅：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据分析。陈泽斌：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。黄志良：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理。王凯奇：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。唐晓云：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、资金筹集、数据分析。江洪波：撰写 – 审稿与编辑、指导。金雷：撰写 – 审稿与指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（62205086）、山东省自然科学基金（ZR2024QF024）和黑龙江自然科学基金联合指导项目（LH2024F040）以及哈尔滨工程大学基础研究基金的资助。

张雅迅：2015年获得哈尔滨工程大学博士学位。目前他在哈尔滨工程大学教育部光纤集成光学重点实验室和青岛创新发展中心工作。他的研究兴趣包括光子学和集成光学器件、光纤传感及其应用以及光捕获技术。他是60多篇研究论文的作者或合著者。

张雅迅|陈泽斌|黄志良|王凯奇|唐晓云|江洪波|金雷|张瑜|刘志海