CN107014411A - 一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性微纳光纤角度传感芯片，包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区以及两端未拉伸部分的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分。当微纳光纤传感芯片发生弯曲时，由于微纳光纤的弯曲损耗和柔性聚合物折射率的增加，输出光强信号随之变小，从而实现角度传感。并且，本发明能实现超高灵敏度的角度传感。由于微纳光纤包埋于柔性材料中，微纳光纤可以免受外界环境因素的干扰，本发明具有良好的稳定性，机械强度和抗电磁干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微纳光纤的传感器，特别是涉及一种基于微纳光纤的角度传感器及其制备方法，属于光纤传感领域。
背景技术
随着可穿戴设备、机器人和人机交互设备的发展，柔性传感器已成为当今科学的研究热点领域，其中柔性角度传感器对于上述领域的发展至关重要。柔性角度传感器在手势检测，人体关节运动监测，机器手控制等领域发挥着重要作用，在康复医疗，机器人和虚拟现实的人机互动等领域具有广阔的应用前景。
目前使用的柔性角度传感器一般通过检测电阻或电容的变化实现对角度变化的传感。其基本结构是用柔性基底包埋微电极或纳米电学功能材料（石墨烯，碳纳米管，金属纳米颗粒等），通过有线或无线方式实现传感单元与外部检测器的通信。当传感器发生弯曲形变时，产生相应的电阻或电容的变化，通常电流的变化在pA量级，电容变化在pF量级，需要高精度的电学检测仪器才能探测到信号的变化。此外，基于电学原理检测的传感器易受电磁干扰，在强电磁环境和易燃易爆环境下难以正常工作，这对于机器人来说，其工作范围会受到很多限制。
除了上述的柔性电学角度传感器，还可通过外部光学追踪摄像技术和三轴重力加速度传感器，对关节点进行标记，跟踪关节位置，分析关节的弯曲和人体的运动情况，实现柔性角度传感器的功能。但是，基于视觉方式的光学追踪摄像技术只能应用于安装有深度相机的特定场合，在弱光条件或存在障碍物时难以正常工作，由于受到深度相机自身分辨率的限制，对于关节的微小运动不敏感。基于三轴重力加速度传感器的手势检测技术需要复杂的建模和大量的计算，由于这种技术多采用无线模块进行数据传输，同样易受电磁干扰。
光纤传感器在抗电磁干扰和灵敏度方面展现出独特优势，目前报道的光纤角度传感器多采用加工有微结构（例如Bragg光栅或Fabry-Perot腔）的标准通讯光纤或微结构光纤作为传感元件，通过测量共振峰波长移动进行传感，在楼宇，桥梁和铁轨的健康监测等领域有广泛应用。标准通信光纤由高折射率的芯层和低折射率的芯层组成，其芯径为10 μm（单模）或62.5 μm（多模），包层直径为125 μm，用于传感的探测光通常为可见光或近红外波段的光，探测光以全内反射的形式在光纤芯层中传播。微结构光纤的直径与标准光纤相当，但是其芯层为规则排列的微孔结构，制作成本高，探测光的输入和输出需要借助于与标准光纤的耦合或熔接实现。由于标准通讯光纤和微结构光纤的直径大，弯曲半径大，形变范围小，由它们制成的角度传感器难以满足可穿戴设备、机器人和人机交互设备在形变和尺寸等方面的要求。
微纳光纤是一种直径与传播光波长接近或更小的新型光纤，其直径通常在500 nm至5 μm。微纳光纤多由标准通信光纤加热拉伸制备，光纤拉锥两端的未拉伸部分为标准光纤，易与外部光源和检测器集成，拉伸部分即微纳光纤。自从2003年童利民等首次演示了亚波长直径微纳光纤的低损耗导光特性以来，微纳光纤在近场光学、非线性光学、表面等离激元、微纳光器件等领域的研究备受关注，其中微纳光纤传感器是研究最多的方向之一。
由于微纳光纤的直径与所传播光的波长相近或更小，微纳光纤的包层为外界的环境介质，当光在微纳光纤中传输时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部的环境介质，因此微纳光纤的光场分布对于外界环境的变化非常敏感，这一特性使得微纳光纤在制备新型高灵敏度，小尺寸的传感器方面具有独特优势。为了获得更高的传感灵敏度，通常需要有更多的能量以倏逝场的形式在微纳光纤外围的介质中传播。减小光纤直径是增加倏逝场比例的有效方法，例如，当光在直径200 nm的裸露在空气中的二氧化硅微纳光纤中传播时，约有90%的能量以倏逝场的形式存在于光纤外围，但这种裸露在空气中的二氧化硅微纳光纤易受环境因素的干扰，且光纤直径小于1 μm时，光纤易折断，操作难度增加。增加倏逝场比例的另一方法是在保证外围介质的折射率小于微纳光纤折射率的前提下，降低两者的折射率差。例如，二氧化硅微纳光纤的折射率为1.45，空气的折射率为1.0，将二氧化硅微纳光纤浸入在折射率为1.33的水中时，其外围倏逝场比例显著增加。这就可以采用较粗的微纳光纤获得较高的传感灵敏度，同时避免微纳光纤过细造成的操作困难的问题。通过采用折射率低于微纳光纤的柔性材料包埋微纳光纤，不仅能保留微纳光纤的光学特性，提高微纳光纤外围倏逝场比例，还能显著提高微纳光纤的稳定性，使其免受外界环境因素的干扰。这些特性为制备高灵敏度、微型化的柔性角度传感器提供了可能。微纳光纤还具有良好的机械性能，弯曲半径可以小至微米量级，通过显微操作设备可以对其进行精确操控，将其组装成特定形状。目前，微纳光纤在气体和生化传感领域已有广泛应用，展示了灵敏度高，响应时间快，功耗低，尺寸小等优点。近期，基于微纳光纤的微应力传感器已有报道，由于所使用的微纳光纤暴露在空气中，易受环境因素的干扰，虽然展示了高灵敏度的特性，但是难以实用化。
因此，研究一种高灵敏度、高稳定性的柔性微纳光纤传感器对于可穿戴设备、机器人和人机交互设备等领域研究和发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高灵敏度和长期工作稳定性的柔性微纳光纤角度传感器。
为实现以上发明目的，本发明所采取的技术方案是：本发明柔性微纳光纤角度传感芯片包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区以及两端未拉伸部分的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分。
进一步地，本发明所述光纤拉锥的拉伸部分的直径小于5 μm，并且，该拉伸部分的长度大于0且小于5 cm。
进一步地，本发明所述光纤拉锥的拉伸部分的形状呈直线形、U字形或曲线形。
进一步地，本发明所述柔性基片的折射率小于光纤拉锥的折射率。
进一步地，本发明所述柔性基片的折射率大于空气的折射率。
进一步地，本发明还包括光源和探测器，光纤拉锥两端的未拉伸部分分别与光源、探测器连接。
本发明柔性微纳光纤角度传感芯片的制备方法包括：将未固化的柔性材料涂覆在平面基底上，后经固化、剥离，将固化后的柔性材料放置在平面基底上；将通信光纤的保护层剥去，采用光纤拉锥设备将所述通信光纤拉伸得到光纤拉锥；将光纤拉锥放置在固化后的柔性材料的表面，使得光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区和未拉伸部分的局部处于固化后的柔性材料的表面上；接着再浇注上一层未固化的柔性材料，使得光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区和两端未拉伸部分的局部包埋于柔性材料内，后对未固化的柔性材料固化，形成柔性微纳光纤角度传感芯片。
进一步地，本发明所述通信光纤为标准通讯光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）将微纳光纤包埋于柔性材料中可以显著提高传感器的稳定性，使其免受气流扰动和灰尘吸附造成的干扰。（2）将微纳光纤包埋于柔性材料中可以显著提高微纳光纤的可操作性，例如直径1微米以下的微纳光纤在没有柔性材料保护的条件下很容易折断，通过柔性材料的包埋，可以不依赖精密设备对微纳光纤进行弯曲、扭曲和拉伸等操作，从而满足角度传感器在形变方面的需要。（3）与直接裸露在空气中的微纳光纤相比，若所用柔性材料的折射率大于空气的折射率，且小于微纳光纤的折射率，经过柔性材料包埋之后，由于微纳光纤和与其外围介质（柔性材料）的折射率差变小，微纳光纤外围会产生更大比例的倏逝场，有利于获得更高的传感灵敏度。（4）光纤拉锥的未拉伸部分为标准商用单模或多模光纤，可与外围光源、探测器无缝对接，可实现实时检测和危险环境下的远距离传感。（5）与柔性电学角度传感器相比，本发明传感器的抗电磁干扰能力强、响应速度快、灵敏度高、无需昂贵加工设备，加工过程简单，加工成本低。
附图说明
图1是本发明直线形柔性微纳光纤角度传感器使用时的结构示意图；
图2是本发明柔性微纳光纤角度传感器采用不同形状或直径的微纳光纤时的工作曲线；
图3是本发明U字形柔性微纳光纤角度传感器使用时的结构示意图；
图中：1－光纤拉锥的拉伸部分（微纳光纤），2－拉锥过渡区，3-未拉伸部分，4－柔性基片，5-光源，6-探测器，7－水平平台，8-俯仰台。
具体实施方式
以下以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和标准通信光纤（外径125μm）为例说明本发明柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器的制备方法和结构。
因为二氧化硅微纳光纤的折射率约为1.45，为使经过柔性材料包埋之后，微纳光纤的外围产生更大比例的倏逝场，有利于获得更高的传感灵敏度，优选方案是使柔性材料的折射率大于空气的折射率。此外，若柔性材料的折射率高于微纳光纤的折射率，则光线不能被约束在微纳光纤内部和外围传播，无法实现传感的功能。为此，在本实施例中，柔性材料的折射率小于微纳光纤的折射率，柔性基片采用折射率约为1.40的PDMS。将未固化的PDMS浇注在玻璃载玻片上，在85℃的温度下固化30分钟，然后将其与载玻片剥离，形成表面光滑的PDMS基片，并将其置于另一块玻璃载玻片上。
将标准通信光纤的保护层剥去，后采用光纤拉锥设备进行加热拉伸以使其腰部直径为小于5 μm且腰部的长度大于0且小于10 cm，并在腰部两侧各形成一拉锥过渡区2（如图1和图3所示），由此得到光纤拉锥。其中，光纤拉锥的腰部即是光纤拉锥的拉伸部分1。光纤拉锥与PDMS柔性基片4之间的尺寸大小关系应使光纤拉锥的拉伸部分1、拉锥过渡区2以及局部未拉伸部分3均置于PDMS基片上。
将制得的光纤拉锥水平放置在PDMS基片上，如前所述，光纤拉锥的拉伸部分1、拉锥过渡区2、以及局部的未拉伸部分3均应置于PDMS基片上（参见图1和图3）。然后在上面浇注一层未固化的PDMS，使光纤拉锥的拉伸部分1（即腰部）、拉锥过渡区2以及光纤拉锥的未拉伸部分3的局部全部包埋于PDMS基片中，后对PDMS基片固化，形成本发明的柔性微纳光纤角度传感芯片。由此，本发明的柔性微纳光纤角度传感芯片的此种包埋方法不仅能够保护微纳光纤免受外界环境的干扰，提高传感器的可操作性。PDMS基片的折射率为1.40，二氧化硅微纳光纤的折射率为1.45，两者的折射率差为0.05，空气的折射率为1.0，空气与二氧化硅微纳光纤折射率差为0.45。相对于直接裸露在空气中的微纳光纤结构,PDMS基片包埋的二氧化硅微纳光纤结构能有效增加光纤拉锥的拉伸部分1外围的倏逝场强度，进一步提高检测灵敏度。
将柔性微纳光纤角度传感芯片从载玻片上剥离。如图1所示，将光纤拉锥一端未包埋于柔性基片4的未拉伸部分3通过标准光纤适配器与光源5连接，将光纤拉锥另一端未包埋于柔性基片4的未拉伸部分3通过标准光纤适配器与探测器6连接，形成本发明的柔性微纳光纤角度传感器。使用时，将光纤拉锥的拉伸部分1的一部分固定在一个水平平台7上，另一部分固定在一个角度可调的俯仰台8上。俯仰台8的边缘与水平平台7的边缘相互接触，俯仰台8能够以两者的接触边缘为轴进行转动。当俯仰台8的转动角度为零度时，俯仰台8与水平平台7处于同一平面上。由于光纤拉锥的拉伸部分1的一部分位于俯仰台8上，另一部分位于水平平台7上，使得当俯仰台8转动时，光纤拉锥的拉伸部分1可随之弯曲。通过调节俯仰台8的角度，可以控制柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲角度，导致输出光强随之而变化，通过测量输出光强，实现对角度的传感。
以拉伸部分1（腰部）的直径为1.2 μm的光纤拉锥为例进一步说明本发明传感器的技术效果。
图1所示的微纳光纤呈直线形，其光纤拉锥的拉伸部分1的直径为1.2 μm。将光纤拉锥的两端未拉伸部分3分别通过标准光纤适配器与波长为633 nm的氦氖激光器（光源5）和光谱仪（探测器6）相连。柔性微纳光纤角度传感芯片的左侧固定在水平平台7上，右侧固定在俯仰台8上，光纤拉锥的拉伸部分1处于水平平台7和俯仰台8的交接处，使得俯仰台8转动时，光纤拉锥的拉伸部分1可随之弯曲，从而使柔性微纳光纤角度传感芯片随之弯曲。
使用时，将柔性微纳光纤传感芯片紧密固定在被测物表面，使微纳光纤传感芯片能够产生与被测物相同的弯曲角度。光纤拉锥的两端未拉伸的标准通信光纤分别与光源5和探测器6相连，通过探测输出光强信号的变化，实现角度传感。
当俯仰台8水平时，得到最大透射光强。随着俯仰台8的升高，柔性微纳光纤角度传感芯片发生弯曲，透射光强下降。以角度为横坐标，透过率为纵坐标，柔性微纳光纤角度传感芯片对于角度变化的响应如图2中的采用1.2 μm直线形微纳光纤（即拉伸部分1的直径为1.2 μm）的传感器的工作曲线所示。用光源稳定性的3倍标准偏差计算，该柔性微纳光纤角度传感芯片的检测灵敏度可达0.01°，但是其工作范围相对较窄，仅在0-10°之间。采用直径较粗的微纳光纤制备如图1所示的直线形柔性微纳光纤角度传感芯片可以扩大传感器的工作范围。如图2中的采用2.5 μm直线形微纳光纤的传感器的工作曲线所示，当光纤拉锥的拉伸部分1的直径为2.5 μm，相应地，柔性微纳光纤角度传感器的工作范围增加，为0-60°。进一步增加光纤拉锥的拉伸部分1的直径到3.5 μm，柔性微纳光纤角度传感器的工作范围进一步增加，为0-90°（图2中的采用3.5 μm直线形微纳光纤的传感器的工作曲线所示）。随着工作范围的增加，柔性微纳光纤角度传感芯片的灵敏度相应降低。为了同时满足高灵敏度和大工作范围的要求，可将3种不同直径的微纳光纤角度传感芯片固定在同一位置，根据角度变化的范围，选取不同直径的光纤信号用于角度传感。例如，当角度变化小于10°时，可采用直径为1.2 μm的直线形微纳光纤的信号；当角度变化大于10°，且小于60°时，可采用直径为2.5 μm的直线形微纳光纤的信号；当角度变化大于60°，且小于90°时，可采用直径为3.5μm的直线形微纳光纤的信号。通过对三个不同直径的微纳光纤变化相同角度后的不同响应进行分析和数学建模，可以在原工作范围内进一步提高角度传感的灵敏度。
在手势检测和数据手套等应用中，光源和探测器部分通常安置在手臂或手背上，以免影响手部的运动功能。如图1所示，若微纳光纤呈直线形，当本发明传感芯片贴在手指关节的手背一侧或固定在数据手套的手指关节位置时，光纤拉锥的未拉伸部分3需要产生需要产生额外的弯曲，才能实现与光源或探测器的连接。由于标准光纤在弯曲半径小时易折断，在弯曲半径大时，易弯转到手指或手掌内测，影响手的抓握，或者在抓握时碰触到未拉伸部分3，影响传感器的稳定性。因此，可使微纳光纤呈如图3所示的U字形。若微纳光纤呈U字形，不仅可以方便实现柔性微纳光纤角度传感芯片在手指关节或数据手套上的固定，而且微纳光纤的弯曲位置（角度变化敏感区）相对于直线形的一个点增加到了U字形的两个点，能使光纤拉锥的拉伸部分1在相同的直径下获得比直线形柔性微纳光纤角度传感芯片更高的灵敏度。如图2中的采用2.5 μm U字形微纳光纤的传感器的工作曲线所示，采用光纤拉锥的拉伸部分1的直径为2.5 μm的U字形柔性微纳光纤角度传感器，可以获得比光纤拉锥的拉伸部分1的直径为2.5 μm的直线形柔性微纳光纤角度传感器更高的灵敏度。本发明柔性微纳光纤角度传感器的灵敏度优于绝大部分商用角度传感器，而且可以固定在人体关节或假肢上，用于手势监测、步态监测等领域。
Claims (8)
1.一种柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分（1）、拉锥过渡区（2）以及两端未拉伸部分（3）的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分（1）。
2.根据权利要求1所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述光纤拉锥的拉伸部分（1）的直径小于5 μm，并且，该拉伸部分（1）的长度大于0且小于5 cm。
3.根据权利要求1或2的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述光纤拉锥的拉伸部分（1）的形状呈直线形、U字形或曲线形。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述柔性基片的折射率小于光纤拉锥的折射率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述柔性基片的折射率大于空气的折射率。
6.一种包含权利要求1至5中任一项所述的柔性微纳光纤角度传感芯片的传感器，其特征是：还包括光源和探测器，光纤拉锥两端的未拉伸部分（3）分别与光源、探测器连接。
7.一种权利要求1至5中任一项的柔性微纳光纤角度传感芯片的制备方法，其特征是，包括：
将未固化的柔性材料涂覆在平面基底上，后经固化、剥离，将固化后的柔性材料放置在平面基底上；将通信光纤的保护层剥去，采用光纤拉锥设备将所述通信光纤拉伸得到光纤拉锥；将光纤拉锥放置在固化后的柔性材料的表面，使得光纤拉锥的拉伸部分（1）、拉锥过渡区（2）和未拉伸部分（3）的局部处于固化后的柔性材料的表面上；接着再浇注上一层未固化的柔性材料，使得光纤拉锥的拉伸部分（1）、拉锥过渡区（2）和两端未拉伸部分（3）的局部包埋于柔性材料内，后对未固化的柔性材料固化，形成柔性微纳光纤角度传感芯片。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：所述通信光纤为标准通讯光纤。
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