ACS Sensors：基于光纤嵌套式微结谐振器的超快呼吸湿度传感器学术资讯

来源：ACS美国化学会

英文原题：High-Performance Ultrafast Humidity Sensor Based on Microknot Resonator-Assisted Mach–Zehnder for Monitoring Human Breath

哈尔滨工程大学王鹏飞教授团队报道了一种基于嵌套式微结谐振腔器件的高性能微纳光纤湿度传感器，成功应用于人体实时呼吸监测。与使用集成光子电路的湿度传感器相比，该光纤湿度传感器不仅表现出了超快速的响应时间和独特的响应特性，而且可与其他光纤通信系统集成，更具备抗电磁干扰、抗腐蚀等优势。相关研究成果近期作为封面文章发表在 ACS Sensors 期刊上。

湿度在食品安全、化学工业、农业生产、医药行业等应用领域都是一项极其重要的监测指标，其应用范围包括电子加工、食品加工及对人体呼吸的监测和医疗诊断等。因此，从应用层面来说，亟需一种具有超快速响应、高灵敏度和高稳定性、低成本等特点的湿度传感器。迄今为止，人们已经开发了一系列基于集成光子电路的湿度传感器，其具有体积小、高度集成等优点，但通常需要昂贵的设备以及完善、复杂的制备工艺流程；而基于光纤结构的湿度传感器凭借其低成本、制造工艺简单、易与其他光纤通信系统连接集成以及抗电磁干扰、抗腐蚀等优势，广泛适用于日常以及各类高危环境，其良好的生物相容性和无毒性等特性使其也可应用于生化环材和医学领域。

近日，哈尔滨工程大学王鹏飞教授团队报道了一种基于嵌套式微结谐振腔器件的高性能微纳光纤湿度传感器，借助低成本明胶薄膜的吸湿特性，实现了在特定湿度环境下对指定光路的“开-关”作用，透射强度的动态范围可以高达25 dB。利用该光纤传感器的紧凑性、小型化等优点，将其与传统口罩集成可以应用于人体实时呼吸监测，得到了最快 84 ms 的响应时间和 29 ms 的恢复时间，为制造用于个人医疗保健的新型湿度光纤传感器提供了一种可行的技术思路和替代方案。

图1. (a)嵌套微结湿度传感器的结构示意图和(b)室温下不同湿度的光谱

该工作提出的微纳光纤湿度传感器由一个微结谐振腔嵌套式马赫-曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)干涉仪组成(图1a)。通过精巧设计，该传感器可由一个完整的单模拉锥光纤制备，避免了额外的插入损耗。涂覆在MZ光路上的明胶(Gelatin)作为一种常见的低成本、高性能的湿敏材料，通常其折射率略高于水，但会随着周围相对湿度的增大而减小。当相对湿度较低时，明胶薄膜维持较高的折射率，被其覆盖的光纤光路损耗较大，致使信号光仅经微结光路循环并输出(图1b蓝线)。而当相对湿度较高时，水分子的渗透使得明胶薄膜的折射率大大降低，输入信号光分成两束分别经微结光路和MZ光路传输并于汇聚点形成干涉光谱后输出，透射光谱如图1b红线所示。基于此，透射光谱及透射光强可实时精准地反映出环境湿度的情况，从而实现对人体呼吸状况的实时监测。

图2. 不同相对湿度下光谱的变化：(a-c)湿度上升过程；(d-f)湿度下降过程

随后，研究人员针对该传感器在湿度上升(下降)过程中触发光谱变化的阈值进行了研究。实验表明，该传感器在湿度上升过程中的阈值比在湿度下降过程中的阈值要高，且对阈值附近的相对湿度变化极为敏感(图2)。

图3. 测试人员进行实时呼吸监测实验

基于该传感器对相对湿度独特的响应特性，研究人员还探索了其在人类呼吸监测中的应用。呼吸频率和深度可用于评估人体健康，无论是在医院还是在家中，人的呼吸在非侵入性疾病早期诊断中具有重要作用。如图3所示，在呼吸监测实验中，将传感器固定在呼吸面罩上后将呼吸面罩戴在测试人员的面部，以创建一个理想的测试环境。呼吸面罩内相对湿度的变化可来自鼻呼吸以及口腔呼吸。传感器分别与光源和光电探测器相连，示波器用来记录光电探测器的输出电压，测试过程中可实时显示呼吸动作引起的口罩内部湿度的变化。在呼气的作用下，湿度上升至阈值后电压立即急剧上升，然后保持相对稳定的状态。受呼吸时空气流量和湿度波动的影响，检测结果会记录到部分噪声。在吸气动作发生时，湿度下降至阈值附近，检测到的电压快速下降，直到恢复到呼气前的状态(参考电压值)。电压响应曲线与参考电压值之间围成的图形面积可反映呼吸深度。图4显示传感器有效地追踪了三组不同的有节奏的呼吸频率。图4a上半部的细节放大图分别显示了每分钟32次、20次和10次呼吸动作的测量结果，分别代表从快速到均匀到缓慢的三种典型呼吸频率，相应的响应时间和恢复时间如图4b所示。得到的最快响应时间和恢复时间分别是84 ms和29 ms。