DOI: 10.1016/j.snb.2023.133807

本文介绍了一种基于二氧化锡（SnO₂）/聚乙烯醇（PVA）混合纳米纤维包裹过度倾斜光纤光栅（Ex-TFG）的光纤湿度传感器。相对湿度（RH）的升高使薄膜的折射率（RI）和几何尺寸发生变化。由于激发的正向传播包层模式与表面涂层的强烈相互作用，Ex-TFG的透射光谱也随之发生变化。实验结果表明，在35%-75%的相对湿度范围内，最大强度灵敏度为0.43dB/%RH。与纯PVA薄膜涂层光栅相比，SnO₂/PVA包裹光栅的RH灵敏度显著提高了一个数量级。Ex-TFG周围电纺SnO₂/PVA膜的网状形态保证了水分子的无阻碍渗透，然后通过监测不同节奏的人体呼吸，传感器表现出约67ms的超快响应和约83ms的恢复时间。最后，温度扰动引起的可忽略不计的光谱变形验证了所设计的RH传感器的温度去相关性。这项工作表明，提出的SnO₂/PVA纳米纤维包裹Ex-TFG可以为医疗保健监测、环境和生物化学传感应用提供一种简单、稳健且高灵敏度的光学设备。

图1.传感结构示意图。

图2.（a）SnO₂/PVA复合溶液的制备工艺。（b）通过静电纺丝技术在Ex-TFG上包裹SnO₂/PVA复合纳米纤维的示意图。（c）包裹SnO₂/PVA纳米纤维前后的透射光谱。

图3.通过静电纺丝方法制备的薄膜包裹Ex-TFG的SEM图像：纯8%PVA纳米纤维，包裹时间为（a,d）5分钟；1:1 SnO₂/PVA复合纳米纤维，包裹时间分别为（b,e）5分钟和（c,f）2分钟。（g）PVA和SnO₂/PVA纳米纤维的FTIR光谱。（h）不同批次制备的SnO₂/PVA纳米纤维的直径分布。

图4.RH测量的实验装置。

图5.2分钟（a）和5分钟（c）包裹时间下SnO₂/PVA复合膜涂层Ex-TFG样品和纯PVA膜涂层Ex-TFG样品（e）在不同RH水平下的光谱演变；以及不同RH下三种样品所选峰的共振强度和波长的对应拟合线（b,d,f）。

图6.（a）SnO₂/PVA涂层Ex-TFG的稳定性测试。（b）波长偏移和强度波动与温度的关系。插图显示了SnO₂/PVA涂层Ex-TFG在不同温度下的光谱响应。

图7.（a）提出的RH传感器对人体呼吸的响应，包括快速（顶部）、正常（中间）和深呼吸（底部），以及（b）它们相应的FFT结果，显示了不同的呼吸频率。（c）时间波形的放大视图，用于评估响应和恢复时间。