相對(duì)濕度（RH）檢測(cè)在食品加工、生物制藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土木工程等領(lǐng)域具有重要意義。光纖傳感器因其靈敏度高、檢測(cè)范圍寬、響應(yīng)速度快被認(rèn)為是濕度傳感器的理想選擇，但此類(lèi)傳感器對(duì)光源穩(wěn)定性要求很高，且對(duì)環(huán)境因素敏感，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種兼具高靈敏度、高可靠性和高穩(wěn)定性的濕度傳感器。
近些年，基于太赫茲（THz）技術(shù)的光學(xué)傳感器在傳感應(yīng)用中顯示出巨大的潛力，加上超構(gòu)表面（Metasurface）的出現(xiàn)，進(jìn)一步提升了利用太赫茲技術(shù)進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)的可能性。太赫茲光譜對(duì)水極為敏感，其最有前途的應(yīng)用之一正是濕度檢測(cè)。聚乙烯醇（PVA）因具有較高的濕敏性、親水性、良好的成膜性和粘合特性，是濕敏材料的理想選擇。因此，充分利用具有高濕敏性的太赫茲光譜和強(qiáng)吸水性的PVA薄膜，研究將二者結(jié)合以用于濕度檢測(cè)意義重大。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，來(lái)自中國(guó)計(jì)量大學(xué)太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所、山東師范大學(xué)物理與電子學(xué)院的研究人員共同提出一種基于太赫茲超構(gòu)表面和PVA相結(jié)合的相對(duì)濕度傳感器，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其靈敏度可達(dá)0.34 GHz/%RH，是傳統(tǒng)超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鞯膬杀兑陨希捎糜诟呖煽啃院透哽`敏度的濕度檢測(cè)，該項(xiàng)研究為利用太赫茲光譜進(jìn)行相對(duì)濕度檢測(cè)開(kāi)辟了一條新的路徑。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Applied Optics期刊。
（a）常規(guī)入射太赫茲光譜激發(fā)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的三維示意圖。（b）結(jié)構(gòu)參數(shù)為Px = 185 μm，Py = 68 μm，a = 175 μm，b = 56 μm，w = 25μm，l = 8 μm的單元結(jié)構(gòu)俯視圖。
（a）超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的透射光譜。（b）和（c）分別為x-y平面上f0頻率處和f1頻率處的電場(chǎng)分布（上）和表面電流（下）。紅色區(qū)域?yàn)閺?qiáng)電場(chǎng)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槿蹼妶?chǎng)。黑色虛線(xiàn)箭頭為表面電流方向，紅色箭頭為強(qiáng)表面電流，藍(lán)色箭頭為弱表面電流。
該新型超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅髟诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了改進(jìn)，將厚度為4 μm的PVA夾在金屬結(jié)構(gòu)和石英襯底之間。傳統(tǒng)的超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅麟妶?chǎng)主要集中在金屬結(jié)構(gòu)和石英襯底邊界處，僅有一小部分電場(chǎng)可與PVA層在空間上重疊，導(dǎo)致弱相互作用。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使大部分電場(chǎng)都嵌入在PVA內(nèi)部，增強(qiáng)了吸附在PVA層中的水分子與電場(chǎng)的相互作用，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)傳感器更好的空間重疊和更高的強(qiáng)度。
（a）新型超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅骱停╞）傳統(tǒng)超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鞯钠拭鎴D（x-z平面）。（c）新型超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅骱停╠）傳統(tǒng)超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅髟趚-z平面f1頻率處的對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分布。
研究人員分析了利用該新型超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅魈岣邼穸葯z測(cè)靈敏度的方法。結(jié)果表明，該傳感器的靈敏度為0.34 GHz/%RH，傳統(tǒng)傳感器對(duì)應(yīng)的靈敏度為0.14 GHz/%RH，靈敏度提高了約2.4倍。與傳統(tǒng)超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?lèi)似，該傳感器還可以使用激光直寫(xiě)技術(shù)、熱蒸發(fā)法和剝離工藝加工，這使得該新型傳感器在實(shí)際應(yīng)用中成為可能。
研究人員稱(chēng)，通過(guò)使用折射率更低或者厚度更薄的襯底，有望進(jìn)一步提高該超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。該項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)一種在太赫茲頻段工作的簡(jiǎn)單、高靈敏度的相對(duì)濕度傳感器提供了新的思路。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/AO.463276
延伸閱讀：
《光學(xué)和射頻領(lǐng)域的超構(gòu)材料和超構(gòu)表面-2022版》
