相对湿度（RH）检测在食品加工、生物制药、农业生产和土木工程等领域具有重要意义。光纤传感器因其灵敏度高、检测范围宽、响应速度快被认为是湿度传感器的理想选择，但此类传感器对光源稳定性要求很高，且对环境因素敏感，限制了其广泛应用。因此，迫切需要开发一种兼具高灵敏度、高可靠性和高稳定性的湿度传感器。
近些年，基于太赫兹（THz）技术的光学传感器在传感应用中显示出巨大的潜力，加上超构表面（Metasurface）的出现，进一步提升了利用太赫兹技术进行高灵敏度检测的可能性。太赫兹光谱对水极为敏感，其最有前途的应用之一正是湿度检测。聚乙烯醇（PVA）因具有较高的湿敏性、亲水性、良好的成膜性和粘合特性，是湿敏材料的理想选择。因此，充分利用具有高湿敏性的太赫兹光谱和强吸水性的PVA薄膜，研究将二者结合以用于湿度检测意义重大。
据麦姆斯咨询报道，近日，来自中国计量大学太赫兹技术与应用研究所、山东师范大学物理与电子学院的研究人员共同提出一种基于太赫兹超构表面和PVA相结合的相对湿度传感器，通过改进传统结构设计，其灵敏度可达0.34 GHz/%RH，是传统超构表面传感器的两倍以上，可用于高可靠性和高灵敏度的湿度检测，该项研究为利用太赫兹光谱进行相对湿度检测开辟了一条新的路径。相关研究成果已发表于Applied Optics期刊。
（a）常规入射太赫兹光谱激发超构表面结构的三维示意图。（b）结构参数为Px = 185 μm，Py = 68 μm，a = 175 μm，b = 56 μm，w = 25μm，l = 8 μm的单元结构俯视图。
（a）超构表面结构的透射光谱。（b）和（c）分别为x-y平面上f0频率处和f1频率处的电场分布（上）和表面电流（下）。红色区域为强电场，蓝色区域为弱电场。黑色虚线箭头为表面电流方向，红色箭头为强表面电流，蓝色箭头为弱表面电流。
该新型超构表面传感器在结构设计方面做了改进，将厚度为4 μm的PVA夹在金属结构和石英衬底之间。传统的超构表面传感器电场主要集中在金属结构和石英衬底边界处，仅有一小部分电场可与PVA层在空间上重叠，导致弱相互作用。改进后的结构设计，使大部分电场都嵌入在PVA内部，增强了吸附在PVA层中的水分子与电场的相互作用，实现比传统传感器更好的空间重叠和更高的强度。
（a）新型超构表面传感器和（b）传统超构表面传感器的剖面图（x-z平面）。（c）新型超构表面传感器和（d）传统超构表面传感器在x-z平面f1频率处的对应电场分布。
研究人员分析了利用该新型超构表面传感器提高湿度检测灵敏度的方法。结果表明，该传感器的灵敏度为0.34 GHz/%RH，传统传感器对应的灵敏度为0.14 GHz/%RH，灵敏度提高了约2.4倍。与传统超构表面传感器的制作方法类似，该传感器还可以使用激光直写技术、热蒸发法和剥离工艺加工，这使得该新型传感器在实际应用中成为可能。
研究人员称，通过使用折射率更低或者厚度更薄的衬底，有望进一步提高该超构表面传感器的灵敏度。该项研究为设计一种在太赫兹频段工作的简单、高灵敏度的相对湿度传感器提供了新的思路。
论文链接：https://doi.org/10.1364/AO.463276
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
