CN207036687U - 一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，其结构自下而上依次为耦合棱镜、透明基底、石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜，所述透明基底通过折射率匹配液与所述耦合棱镜接合。上层的氧化石墨烯薄膜用于快速吸附待测湿度环境中的水分，而下层的石墨烯层则用来反映入射光的表面吸收波变化。氧化石墨烯对于水分的吸收导致复合薄膜材料折射率的变化，而折射率的变化则通过石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化反映出来。采用本实用新型，能够对快速变化的湿度进行探测传感，在人工智能等领域有着潜在的应用价值。

Description

一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，特别涉及一种基于反射耦合结构和表面波吸收技术的湿度传感装置，属于工程、化学和材料领域。

背景技术

目前，传感湿度的方法主要是通过测量吸湿材料电阻变化达到传感湿度的目的。为了达到较高的灵敏度，吸湿材料一般为块状三维结构，其吸附和交换水分子需要一个较长的时间，因此这种传感器很难实现对湿度的快速检测。

石墨烯作为一种二维材料在光学、电学和化学等方面展现出了优异的性能：如透光率达到97.7%，近完全透明；电子输运速度达到光速的1/300; 热导率达到5000W·m^-1·K^-1; 比表面积高达2630 m²/g。氧化石墨烯（GO）作为石墨烯最重要的衍生物，在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使其具备良好的亲水特性，可以稳定的分散在水溶液或有机溶剂的溶液中，具有良好的吸湿性。因此，现有技术中已经存在基于氧化石墨烯薄膜的光纤湿度传感器（CN105259139A、CN205317655U），其将光纤传感结构浸入氧化石墨烯或氧化石墨烯与琼脂糖混合物的分散液中，从而可以在光纤传感器的表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜或氧化石墨烯/琼脂糖复合薄膜，利用氧化石墨烯薄膜的吸湿膨胀和干燥溶胀的特性，其可以制成光纤光栅湿度传感器。该传感器的测量灵敏度相对于传统的传感器更高，然而石墨烯膜在吸收水分后，其需要在室温放置48小时左右进行自然干燥，以得到干燥溶胀的石墨烯，并进一步对其干涉峰强测定来得到湿度的变化曲线，其所需的测量时间过长，还是无法满足对于湿度灵敏且快速测量的目的。

本专利的申请人在之前的专利中（201611076871.7 ）提出了一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置和方法，申请人经过研究发现，在反射耦合结构下，入射光场的一部分分量会沿石墨烯表面传播形成表面波，这种表面波在特定石墨烯厚度条件下甚至可以传播数十微米远，即石墨烯表面波。由于石墨烯层对表面波的吸收十分敏感，折射率细微的改变都将导致石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化，因此，如果能够提供一种快速改变被测介质折射率改变的方法，能够使被测介质的折射率在瞬间发生微小的变化，从而使石墨烯对表面波的吸收发生变化，进而导致反射光强度发生相应变化，由此便可以实现对待测物体折射率的高灵敏度和快速测量。

鉴于氧化石墨烯的二维结构能够有效减少水分子吸附交换的时间，如果进一步结合石墨烯表面波吸收技术带来的灵敏折射率传感能力，则能够实现快速的湿度检测。这在人工智能、工程技术等领域有着潜在的应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在无法实现湿度的快速、灵敏测量的问题，本实用新型提供了一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，可利用反射耦合结构下的表面波吸收技术来对湿度进行快速检测分析。通过对石墨烯薄膜的表面进行化学改性以形成氧化石墨烯/石墨烯复合薄膜，该复合薄膜同时具备氧化石墨烯对水分子良好的吸附性以及石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化特性，因而可以提高复合薄膜表面对水分子的吸附交换速度，并增强其折射率传感灵敏度，从而实现湿度快速、灵敏的测量。

为实现上述目的，本实用新型湿度传感器的结构自下而上依次为耦合棱镜、透明基底、石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜，所述透明基底通过折射率匹配液与所述耦合棱镜接合。

其中，所述透明基底为玻璃基底或石英基底，所述耦合棱镜、透明基底和折射率匹配液的折射率相近。

本实用新型的有益效果是：

相对于现有技术中基于氧化石墨烯的湿度传感器无法实现快速实时测量的缺陷，本实用新型由于同时结合了氧化石墨烯对水分的吸附以及石墨烯对于表面波的吸收的优点，通过采用石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜这种特殊的传感器结构，其中上层的氧化石墨烯薄膜用于快速吸附待测湿度环境中的水分，而下层的石墨烯层则用来反映入射光的表面吸收波变化。氧化石墨烯对于水分的吸收导致复合薄膜材料折射率的变化，而折射率的变化则通过石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化反映出来，进而实现本实用新型对于湿度的实时和快速测量。

附图说明

图1为本实用新型湿度传感器的示意图，其中1为玻璃基底，2为石墨烯薄膜，3为氧化石墨烯薄膜，4为耦合棱镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的进行详细描述。实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型并不限于以下实施例。

实施例1

制备基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，并利用该湿度传感器检测频率为60Hz的湿度变化，包括以下步骤：

1）制备基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，首先通过热还原方法将石墨烯薄膜2结合到玻璃基底1上从而形成热还原石墨烯薄膜/玻璃结构，然后用氧化剂氧化方法在热还原石墨烯薄膜表面形成一层氧化石墨烯薄膜3进而形成氧化石墨烯/石墨烯/玻璃结构，最后通过折射率匹配液将上述氧化石墨烯/石墨烯/玻璃结构贴附于耦合棱镜4表面，其中玻璃基底1没有石墨烯的一面通过折射率匹配液与耦合棱镜4接触，耦合棱镜4、折射率匹配液和玻璃基底1的折射率应相近，即得到所述湿度传感器，其具体结构如图1所示；

2）光学系统搭建：采用激光（波长633nm）光束通过波片后形成圆偏振光，光束照射在耦合棱镜、折射率匹配液、玻璃片和氧化石墨烯/石墨烯复合薄膜上并形成探测区域，然后利用偏振分光器将反射的光束分束，分出的两种偏振光（p偏振光和s偏振光）分别照射在平衡探测器的两个探头上，利用采集芯片控制平衡探测器对s偏振和p偏振的电压信号进行采集；

其中光学系统的搭建是本领域已知的，其示例性的装置参见本专利的发明人于CN102692393A中公开的一种基于石墨烯偏振效应的折射率实时测定方法和装置，在此将其引入作为本专利光学系统的示例性参考，但是其并非构成对本专利光学系统的限定，本领域的技术人员将会理解，所有可以实现本专利目的的光学系统的搭建均可以纳入本专利的使用的光学系统的范围之内。

3）调节平衡探测其前的衰减片使得平衡探测器在未进行湿度测量时的输出信号为零，即以空气作为折射率的标准材料；

4）将湿度传感器的石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜表面裸露在待测湿度氛围中，并通过平衡探测器不断收集输出电压信号的变化。由于氧化石墨烯薄膜的存在，置于湿度氛围中的传感器开始逐步吸收周围的水分，并导致基底材料折射率的不断变化，通过下层石墨烯膜对表面波吸收的灵敏折射率依赖效应，该折射率的实时变化通过偏振光的电压信号的变化反映出来。

5）最后，通过标准湿度仪对电压信号对应的湿度进行提前标定，将采集的电压信号与湿度值进行对应处理后得到湿度随时间的变化结果。

实施例2

制备基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，并利用该湿度传感器检测频率为80Hz的湿度变化，包括以下步骤：

1）制备基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，首先通过化学气相沉积法将石墨烯薄膜结合到石英基底上从而形成石墨烯薄膜/石英结构，然后用臭氧氧化方法在石墨烯薄膜表面形成一层氧化石墨烯薄膜进而形成氧化石墨烯/石墨烯/石英结构，最后通过折射率匹配液将所述氧化石墨烯/石墨烯/石英结构贴附于耦合棱镜表面，其中石英基底没有石墨烯的一面通过折射率匹配液与耦合棱镜接触，耦合棱镜、折射率匹配液和石英基底（片）的折射率应相近，即得到所述湿度传感器；

2）光学系统搭建：采用激光（波长670nm）光束通过波片后形成非偏振光，光束照射在耦合棱镜、折射率匹配液、石英片和氧化石墨烯/石墨烯复合薄膜上并形成探测区域，然后利用偏振分光器将反射的光束分束，分出的两种偏振光（p偏振光和s偏振光）分别照射在平衡探测器的两个探头上，利用采集芯片控制平衡探测器对s偏振和p偏振的电压信号进行采集；

3）调节平衡探测其前的衰减片使得平衡探测器在未进行湿度测量时的输出信号为零，即以空气作为折射率的标准材料；

4）将湿度传感器的石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜表面裸露在待测湿度氛围中，并通过平衡探测器不断收集输出电压信号的变化。

5）最后，通过标准湿度仪对电压信号对应的湿度进行提前标定，将采集的电压信号与湿度值进行对应处理后得到湿度的实时数值。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，其结构自下而上依次为耦合棱镜、透明基底、石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜，其中所述透明基底通过折射率匹配液与所述耦合棱镜接合。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其中所述透明基底为玻璃基底或石英基底。