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- 基于漸逝耦合微/納米纖維的高靈敏度和快速響應(yīng)應(yīng)變傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/10/31
基于MNF耦合器的應(yīng)變傳感器工作原理 (a) 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。(b), (c) MNF 耦合器在間隙略微變化之前和之后的光學(xué)顯微照片，分別。MNF的直徑約為900nm，彎曲半徑為50μm。(d) 設(shè)備對(duì)三種不同音量的節(jié)拍器的響應(yīng)。(e) 在正常情況下（每分鐘 72 次）和運(yùn)動(dòng)后（每分鐘 85 次）測(cè)量實(shí)時(shí)指尖脈搏波。插圖顯示了傳感器連接到指尖以測(cè)試指尖脈搏的照片，比例尺為 1 厘米。圖片來源：Compuscript Ltd
Opto-Electronic Advances的新出版物討論了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器。
由于應(yīng)變傳感器對(duì)機(jī)械變形的響應(yīng)，應(yīng)變傳感器在柔性電子、健康監(jiān)測(cè)和軟機(jī)器人等許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。目前，已報(bào)道的應(yīng)變傳感器主要集中在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的高拉伸性和大變形下的高靈敏度方面，而微變形下的低靈敏度（≤1%）可能會(huì)限制其在微位移檢測(cè)和微弱生理信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
最近，基于島狀結(jié)構(gòu)、滲流和微裂紋等微結(jié)構(gòu)的各種類型的電應(yīng)變傳感器已被證明可用于生理信號(hào)檢測(cè)。然而，復(fù)雜的加工工藝和對(duì)電磁干擾的高敏感性給它們的實(shí)際應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。或者，與電子傳感器相比，基于光纖的光學(xué)傳感器具有吸引人的優(yōu)勢(shì)，包括固有的電氣安全性、抗電磁干擾性和小尺寸。
作為光纖和納米技術(shù)的結(jié)合，微/納米纖維 (MNF) 因其在更新和擴(kuò)展微/納米級(jí)光纖和柔性傳感器方面的潛力而引起了越來越多的研究興趣。特別是，基于倏逝耦合 MNF 的光耦合器是一種用于高靈敏度光學(xué)傳感的有前途的結(jié)構(gòu)，因?yàn)轳詈闲蕪?qiáng)烈依賴于環(huán)境折射率、耦合長(zhǎng)度和兩個(gè)相鄰 MNF 之間的間隙。最近，提出了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器，該傳感器具有兩個(gè)嵌入聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜中的瞬逝耦合光學(xué)微/納米纖維 (MNF)。
對(duì)于應(yīng)變≤ 0.5%，應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)高達(dá) 64.5，應(yīng)變分辨率為 0.0012%，對(duì)應(yīng)于 1 cm 長(zhǎng)器件上的 120 nm 伸長(zhǎng)率。作為概念驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的指尖脈搏測(cè)量。高達(dá) 30 kHz 的快速時(shí)間頻率響應(yīng)和 102 kPa-1 的壓力靈敏度使傳感器能夠進(jìn)行聲音檢測(cè)。這種多功能傳感器可在生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、語音識(shí)別和微位移檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。
本文作者提出了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器，如圖 1a 所示。每個(gè) U 形 MNF 的直徑為 0.9 μm，彎曲半徑為 50 μm。由于倏逝場(chǎng)在 MNF 之外呈指數(shù)衰減，耦合效率對(duì)兩個(gè) MNF 之間的間隙非常敏感。因此，兩個(gè)MNF之間的任何位移都將反映在輸出端口的光強(qiáng)變化上，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的應(yīng)變傳感。
整個(gè)結(jié)構(gòu)嵌入適當(dāng)厚度的 PDMS 薄膜中，以確保應(yīng)變以高保真度傳遞到傳感器。PDMS薄膜可以將傳感區(qū)域與空氣隔離，從而避免因灰塵沉積和其他外部環(huán)境變化造成的不可預(yù)測(cè)的信號(hào)干擾。圖 1b 和 c 表明這種耦合器對(duì)間隙寬度很敏感，因?yàn)楫?dāng)間隙寬度略有變化時(shí)，輸出強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化。特殊設(shè)計(jì)的 MNFs 結(jié)構(gòu)和 PDMS 的靈活性賦予傳感器高靈敏度和良好的延展性。
該傳感器在 0-0.1% 應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 64.5 的應(yīng)變系數(shù)，以及高達(dá) 30 kHz 的快速時(shí)間頻率響應(yīng)，用于聲音檢測(cè)。該傳感器還可以執(zhí)行聲音振動(dòng)檢測(cè)（圖 1d）和人體指尖脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖 1e）。此外，該傳感器具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)光源和檢測(cè)器要求低等特點(diǎn)。此外，利用對(duì)波長(zhǎng)不敏感的器件響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中使用的鹵鎢燈和光譜儀可以分別替換為具有成本效益的器件，例如 LED 和光電二極管，這有利于可穿戴的弱生理信號(hào)傳感系統(tǒng)。
提出的新傳感器將為低成本、靈敏的多功能柔性傳感器開辟一條簡(jiǎn)單的途徑，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、語音識(shí)別和微位移檢測(cè)方面具有巨大潛力。
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