中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，中國計(jì)量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院沈常宇教授課題組研究出一種基于量子點(diǎn)石墨烯傾斜光纖光柵的高靈敏濕度傳感器，并成功應(yīng)用于非接觸式人體感知，研究成果以High recovery speed optical humidity sensing enabled with GQD for non-contact finger distance detection為題發(fā)表在Sensors and Actuators: B. Chemical（中科院一區(qū)）上。
非接觸式傳感廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化、醫(yī)療保健和安防等各個(gè)領(lǐng)域。對于飛速發(fā)展的仿人機(jī)器人領(lǐng)域，開發(fā)非接觸式手指距離感知是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的研究重點(diǎn)。常見的非接觸式感知傳感器包括紅外傳感器、超聲波傳感器、電容式觸摸傳感器和濕度傳感器。這些傳感器可以檢測物體的存在、距離、溫度、位置和觸感，并提供及時(shí)的響應(yīng)和反饋。水占人體重量的60%以上，通過蒸發(fā)形成環(huán)繞人體的自然濕度場。因此，對這一濕度場進(jìn)行測量可以間接地獲取有關(guān)手指運(yùn)動(dòng)和定位的數(shù)據(jù)，是進(jìn)行非接觸式檢測的關(guān)鍵方法。
傳統(tǒng)濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間較慢，且通常用于宏觀環(huán)境下的濕度變化檢測，難以在微小尺度上進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的濕度場測量，存在局限性。團(tuán)隊(duì)提出了一種快速響應(yīng)光學(xué)濕度傳感器用于非接觸式感知。通過在氧化石墨烯（GO）上接枝賴氨酸對傳統(tǒng)石墨烯材料進(jìn)行改性，制備了量子點(diǎn)石墨烯（GQD）膠體懸浮液。這種改性不僅提高了水溶性，從而增強(qiáng)了碳基材料與光纖之間的附著力，還增強(qiáng)了GO的親水性，進(jìn)而增加了GQD的折射率變化。通過光驅(qū)動(dòng)沉積法在TFBG上均勻鍍上GQD濕度敏感膜。當(dāng)TFBG暴露在不同的濕度環(huán)境中時(shí)，其包層模式的強(qiáng)度會(huì)因GQD折射率的變化而改變，通過對人體濕度場進(jìn)行測量，可以間接地獲取有關(guān)手指運(yùn)動(dòng)和定位的數(shù)據(jù)。圖1顯示了GQD的合成機(jī)制、材料表征，TFBG的傳感機(jī)制，以及濕度檢測裝置示意圖。圖2為該傳感器不同濕度下的響應(yīng)曲線及其靈敏度分析結(jié)果。圖3為傳感器響應(yīng)時(shí)間測試與穩(wěn)定性測試結(jié)果。圖4為傳感器非接觸式手指距離檢測示意圖與檢測結(jié)果。
圖1 (a) GQD的合成過程；(b) GQD的EDS；(c) 濕度傳感器的結(jié)構(gòu)；(d) TFBG表面的掃描電鏡；(e) 濕度檢測的實(shí)驗(yàn)裝置。
圖2 (a) 相對濕度固定為20%和90%時(shí)，GQD涂層TFBG的透射光譜；(b) 不同相對濕度與1516.45 nm處包層模式強(qiáng)度的關(guān)系；(c) (d) 相對濕度減小和 (e) 相對濕度增大時(shí)1516.45 nm處的核心模式、包層模式強(qiáng)度的線性擬合；(f) 相對濕度增大和減小時(shí)，1516.45 nm處諧振波長的強(qiáng)度差。
圖3 (a) 響應(yīng)時(shí)間測試；(b) 不同材料涂層光纖傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間比較；(c) 兩種固定相對濕度水平（40%和80%）下的穩(wěn)定性測試結(jié)果；(d) 一周穩(wěn)定性測試中1516.45 nm共振波長的強(qiáng)度。
圖4 (a) 非接觸式手指距離檢測示意圖；(b) GQD涂層TFBG對非接觸式手指距離檢測的響應(yīng)。
該研究提出的濕度傳感技術(shù)，能夠在不接觸物體的情況下，通過測量人體自然濕度場的微小變化，實(shí)現(xiàn)對手指位置和運(yùn)動(dòng)的高靈敏度檢測。在非接觸傳感實(shí)驗(yàn)中，該傳感器能準(zhǔn)確檢測到六種不同的手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是對于接近、懸停和遠(yuǎn)離等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給出較好的快速響應(yīng)，該傳感器有望用于人工智能領(lǐng)域的人機(jī)交互非接觸控制。
該論文第一作者為研究生石宇飛，通訊作者為沈常宇，共同通訊作者為高峰和周俊。團(tuán)隊(duì)近年來在光纖生化傳感方面做了大量研究工作，并進(jìn)一步將這些傳感器應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域包括非接觸式感知（Optics Letters, 49 (15), 4258-4261(2024)）、高靈敏核酸檢測（Biosensors and Bioelectronics 242 (2023) 115719）、重金屬檢測（Sensors & Actuators: B. Chemical 393 (2023) 134247）等領(lǐng)域。這些工作得到國家自然科學(xué)基金（12274386）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFF0600203）、中國計(jì)量大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（2023YW74）等資助。
