“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：基于光纤布拉格光栅的氟化聚酰亚胺薄膜温湿度传感器

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引言✦

湿度监测和调节在制药、半导体、昂贵设备的维护和爆炸物储存中具有重要意义。相对湿度被定义为空气中蒸汽含量的比率，其描述了当前含水量与空气最多能容纳的含水量的比。机械式湿度计和露点湿度计由于精度和复杂性低，在湿度传感方面受到限制。化学方法主要取决于吸湿反应，但已发现吸湿反应是不可逆和不可再生的。出于安全原因，有源电子湿度传感器也被证明不适用于电敏感的应用，如爆炸物、化学品和燃料储存等。

光纤传感作为一种被动的电磁免疫方法，为电敏感存储提供了一种安全可靠的温度和湿度监测方法。然而，不同的机制，包括光谱吸收、倏逝感测和光散射，在灵活性和复用方面表现出较差的性能。此外，非均匀传感器结构，如法布里-珀罗腔、光纤锥形、微纳光纤、侧面抛光光纤和U形弯曲光纤等均比较脆弱，不适合大规模生产。功能材料和纤维传感器的组合也显示出不均匀性和不确定性，尤其是当涉及到氧化石墨烯、金属氧化物、紫外线凝胶和纳米颗粒时。在实际应用中，光纤布拉格光栅 (FBG) 与聚合物相结合提供了一种更好的方法，因为它在大规模生产中使用时间长且均匀。但是更高的灵敏度和更短的呼吸时间与传统结构中的普通聚酰亚胺膜很难同时实现，原因在于具有多孔表面的聚酰亚胺中存在坚韧的氢键，这会导致湿度滞后甚至水分团聚。此外，取决于膜厚度和表面之间的权衡，水分交换和湿度灵敏度彼此是相互受到限制的，其中难以平衡响应时间和精度。因此，具有高性能的湿度传感器在化学改性和结构设计方面仍有待实现。

本篇发表在Sensors 上的研究文章，提出并演示了一种利用光纤布拉格光栅的氟化聚酰亚胺膜温湿度传感器。该传感器由FBG和20 µm厚的氟化聚酰亚胺膜通过直接手动粘合构建。水分引起的薄膜膨胀或收缩会导致额外的应变，该应变会传递到FBG并导致与湿度相关的波长偏移。与涂层方法相比，分离膜光栅结构提供了大的水分交换表面积、改进的动态范围和相当大的灵敏度。

 研究内容 

对于常见的聚酰亚胺薄膜，空气中的蒸汽易于被亲水性氢键和多孔表面捕获。强烈的吸收导致水分释放缓慢，甚至可能导致湿度滞后和结块。因此，化学改性对于改善聚酰亚胺膜的表面性质是必要的。氟改性可以提高薄膜的疏水性，当使用氟化聚酰亚胺膜时，可以预期得到更小的湿度滞后和更短的呼吸时间。

由于功能膜和光纤光栅之间的横截面比率较大，本文专门设计了一种单独的膜光栅结构，以保持动态范围和湿度灵敏度。如图1a所示，传感单元由直径为125 μm的裸FBG和厚度为20 μm的薄膜制成。FBG和薄膜使用一个铝质转换器组装，并通过直接手动粘合夹在一个空心框架的两个支架之间。该装置在2000 με下进行了预拉伸，以确保近似线性的光谱响应。

图1. 传感机构和分离膜光栅结构 (a) 与另一个级联的FBG温度传感器一起排除热串扰 (b) 在光纤布拉格光栅湿度传感器内。

一旦湿度发生变化，薄膜就会通过与空气中的水分交换来自我平衡。以这种方式，膨胀或收缩导致传递到FBG的轴向应变变化。最后，通过跟踪波长偏移来可视化湿度变化，这表明了水分的动态吸收和释放。此外，图1b显示了另个级联的FBG温度传感器，以排除热串扰，并从波长偏移的协同效应中提取纯相对湿度变化，如红色虚线所示。

温度和湿度传感器用高精度湿度发生器 (GEO Calibration, Model 2000) 进行了校准，并在用不同饱和溶液创建的湿度模拟外壳中验证了其传感性能。如图2所示，传感器暴露在12% (LiCl)、33% (MgCl₂)、60% (NaBr)、75% (NaCl) 和98% (K₂SO₄) 的不同湿度外壳中。在25 °C湿度为10.4%、34.2%、57.6%、76.1%和96.2%时测得的波长分布在校准拟合曲线附近，与其他温度下的波长相似。

图2. 湿度相关的波长随不同的饱和溶液和温度的变化。

本文还对湿度变化的光谱响应与CE314电子传感器的光谱响应进行了比较，并在图3中讨论了湿度滞后。FBG传感器和电子传感器都暴露在LiCl (12% RH) 和K₂SO₄ (98% RH) 溶液的相同外壳中，以及实验室 (62% RH) 中。上面的红线表示CE314记录的湿度，而下面的蓝线表示FBG湿度传感器确定的波长偏移。当湿度在12% RH、98% RH和62% RH之间变化时，FBG的中心波长分别响应于湿度的减少或增加而表现出红移或蓝移。由于聚酰亚胺膜中的氟化物掺杂，观察到具有低滞后的小于2分钟的响应时间。此外，由于分离膜光栅结构，保持了相当大的灵敏度和精度。因此，通过实验证明了湿度传感器的可行性，其具有相当高的灵敏度、快速的响应和低的湿度滞后。

图3. CE314传感器 (a) 和FBG湿度传感器 (b) 记录的在12% RH (LiCl)、62% RH (实验室内) 和98% RH (K₂SO₄) 条件下对不同湿度外壳的响应。

 研究总结 

在本文中，研究者提出并演示了一种基于氟化聚酰亚胺薄膜和光纤布拉格光栅的温度和湿度传感器。水分引起的薄膜膨胀或收缩会导致额外的应变，该应变会传递到光纤布拉格光栅，并导致与湿度相关的波长偏移。聚酰亚胺薄膜中的疏水性氟化物掺杂有助于抑制其湿度滞后，并提供小于2分钟的响应时间，此外，还使用了另一个级联光纤布拉格光栅来排除其热串扰，温度精度为±0.5 ℃。校准后的传感器显示出与饱和溶液制造的外壳相对应的不同湿度，在实验室9000分钟的监测过程中具有良好的稳定性，9000分钟以上的实验监测显示，由于敏化的分离膜光栅结构，其湿度精度优于±3%的相对湿度。此外，现场测试证明了湿度传感器的卓越性能和实用性，然而，湿度传感器的一致性、尺寸、重量和成本在未来可以进一步提高。其在制药、半导体、设施和设备保护以及化学和爆炸物储存方面均具有一定的应用潜力。

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原文出自Sensors 期刊：

Xu, X.; Luo, M.; Liu, J.; Luan, N. Fluorinated Polyimide-Film Based Temperature and Humidity Sensor Utilizing Fiber Bragg Grating. Sensors 2020, 20, 5469.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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