CN109946004A - 一种微型压力变色传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型压力变色传感器及其制备方法，包括柔性基底、微型宽带光源和微米光波导，所述微型宽带光源和微米光波导封装于柔性基底内，所述微米光波导具有输入端、输出端和环形腔，所述环形腔位于输入端和输出端之间，所述微米光波导的输入端对应放置于微型宽带光源的有源区出光面。本发明的微型压力变色传感器极大地压缩了器件尺寸、提高了集成度并降低了成本，具有结构简单、灵敏度高、显色丰富等特点。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，特别是涉及一种微型压力变色传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器作为感应环境压力变化的检测装置，在生产实践、高精度测量、医学诊断等诸多方面发挥着重要的作用。一般利用颜色的变化直观显示出所受压力的大小，同时根据反馈的信息调节出合适的环境压力，因此，压力变色传感器在可交互穿戴设备、生物医疗、智能机器人等方面拥有巨大的应用前景。
现有的压力变色传感器通常由两个部分组成，即弹性微结构聚合材料单元和弹性电致变色材料单元，前者通过压力改变电压，后者通过电压改变颜色，整体结构较为复杂且成本较高；同时，输出显示的颜色种类较少。而随着科技的发展及各种器件的高度集成，在人机交互以及生物医疗等方面，对感应压力变化的颜色显示种类提出了更高的要求。显然，如何得到高灵敏度的压力传感器，满足机器视觉、医学诊断等方面的应用，成为压力变色传感器微型化研究过程中一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的压力变色传感器所存在的不足之处，提出了一种高灵敏度、显示颜色种类多、低成本的微型压力变色传感器及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微型压力变色传感器，包括柔性基底、微型宽带光源和微米光波导，所述微型宽带光源和微米光波导封装于柔性基底内，所述微米光波导具有输入端、输出端和环形腔，所述环形腔位于输入端和输出端之间，所述微米光波导的输入端对应放置于微型宽带光源的有源区出光面。
进一步的，所述环形腔为结型环形腔。
进一步的，所述柔性基底包括基片和盖片，所述微型宽带光源与微米光波导固装于基片上，所述盖片覆设于基片上。
进一步的，所述环形腔的直径尺寸范围为40～200μm。
进一步的，所述柔性基底为石墨烯基底。
进一步的，所述微米光波导的直径为2～10μm，其长度为1～3cm。
进一步的，所述微米光波导为微米光纤或高分子聚合物微米线。
进一步的，所述微型宽带光源为白光二极管。
一种微型压力变色传感器的制备方法，取一根微米光波导，在光学显微镜下，通过微纳操作在微米光波导上制作出环形腔；再将微米光波导的输入端对应放置于一微型宽带光源的有源区出光面以输入宽带光，使微米光波导的输出端输出相应的单色光；最后，采用柔性基底对所述微米光波导和微型宽带光源进行封装。
进一步的，所述通过微纳操作在微米光波导上制作出环形腔是指通过微纳操作将微米光波导打结形成所述环形腔
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用微型宽带光源作为输入光源，将具有环形腔的微米光波导的输入端放置于微型宽带光源的有源区出光面，并采用柔性基底进行封装，在受到不同微小压力的情况下微米光波导的输出端能够显示不同的颜色，从而较大程度地压缩了器件的尺寸、提高了集成度并降低了成本，具有结构简单、灵敏度高、显色丰富等特点，在可交互穿戴设备、智能机器人、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。
2、本发明采用柔性基底进行微型化传感器的固定封装，即采用柔性基底对组装好的微型宽带光源和微米光波导进行封装，依靠柔性基底来感受外界压力的变化，能够确保整体结构稳定可靠且具有较好的弹性。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种微型压力变色传感器及其制备方法不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明微米光波导初始状态(还未制作出环形腔)的结构示意图；
图2是本发明微型压力变色传感器的内部结构示意图；
图3是本发明微型压力变色传感器的封装结构示意图。
附图标记说明如下：
1-微米光波导，2-微型宽带光源，11-输入端，12-输出端，13-环形腔，21-有源区出光面，3-基片，4-盖片。
具体实施方式
实施例，请参见图1至3所示，本发明的一种微型压力变色传感器，包括柔性基底、微型宽带光源2和微米光波导1，所述微型宽带光源2和微米光波导1封装于柔性基底内，所述微米光波导1具有输入端11、输出端12和环形腔13，所述环形腔13位于输入端11和输出端12之间，所述微米光波导1的输入端11对应放置于微型宽带光源2的有源区出光面21，所述柔性基底采用柔性材料制成。采用上述结构设计的微型压力变色传感器极大地压缩了器件尺寸、提高了集成度并降低了成本，具有结构简单、灵敏度高、显色丰富等特点。本实施例中，所述微米光波导1具有一个环形腔13，以简化微型压力变色传感器的结构，减小占用空间，微米光波导1具有的环形腔13个数并不以此为限。
本实施例中，所述环形腔13为通过将微米光波导1打结形成的结型环形腔，当然，环形腔13也可以是通过将微米光波导1打圈形成的圈型环形腔，环形腔的具体形式并不以此为限。
为了保证微型压力变色传感器的结构稳定，采用柔性基底将组装好的微型宽带光源2和微米光波导1进行封装，所述柔性基底包括基片3和盖片4，所述微型宽带光源2与微米光波导1固装于基片3上，所述盖片4覆设于基片3上，所述环形腔13所在平面与基片3及盖片4所在平面平行。
所述环形腔13的直径尺寸范围为40～200μm。
所述柔性基底为石墨烯基底，即所述基片3和盖片4均采用石墨烯制成。
为了保证微米光波导1具有较高的传输效率，所述微米光波导1的直径为2～10μm，其长度为1～3cm。
所述微米光波导1为微米光纤或高分子聚合物微米线，但不以此为限。本实施例中，为了实现微米光波导1的直径均匀、表面质量良好，微米光纤采用火焰拉锥法制备而成，高分子聚合物微米线采用溶液拉锥法制备而成。
所述微型宽带光源2为白光二极管(即白光LED)，相应地，微米光波导1的输入端11处输入的宽带光为宽光谱白光。具体地，为了实现将白光二极管发出的光耦合进入微米光波导1内，将白光二极管的封装盖打开，在光学显微镜下通过微纳操作将微米光波导1的输入端11对应放置在白光二极管的有源区出光面21上，使微米光波导1的输入端11与白光二极管的有源区出光面21贴紧。
一种微型压力变色传感器的制备方法，选取一根直径均一、表面质量良好的微米光波导1，在光学显微镜下，通过微纳操作在微米光波导1上制作出环形腔13；再将微米光波导1的输入端11对应放置于一微型宽带光源2的有源区出光面21以输入微型宽带光源2发出的宽带光，使微米光波导1的输出端12输出相应的单色光；最后，采用柔性基底对所述微米光波导1和微型宽带光源2进行封装，即将微型宽带光源2和微米光波导1固装于基片3上，再将盖片4覆设于基片3上完成封装，这样提高了由微型宽带光源2、微米光波导1、基片3及盖片4所构成的整个系统的集成度和稳定性。
所述通过微纳操作在微米光波导1上制作出环形腔13是指通过微纳操作将一根直径均匀的微米光波导1打结形成结构稳定的环形腔13。
本发明所述微型压力变色传感器的工作原理如下：放置于微型宽带光源2有源区出光面21的微米光波导1的输入端11输入宽带光，当位于外层的柔性基底感受到微小压力时，柔性基底(即基片3和盖片4)会产生弹性形变，同时会带动柔性基底内部的环形腔13一起产生弹性形变，此时环形腔13的形状或腔长会发生变化，不同的环形腔13的腔长对应于不同的谐振模式，一种谐振模式对应一种颜色的光的输出，如：当环形腔13的腔长等于绿光波长的整数倍时，微米光波导1的输出端12会显示绿色；当环形腔13的腔长等于红光波长的整数倍时，微米光波导1的输出端12会显示红色。因此，环形腔13的作用就像一个光滤波器，当微米光波导1的输入端11输入微型宽带光源2发出的宽带光时，微米光波导1的输出端12就能随着作用在柔性基底上的微小压力的变化实现不同颜色的光的输出。
本发明中的微纳操作是指：将探针(拉锥的纳米光纤锥或STM探针)固定于手动三维平移台上，在光学显微镜下通过平移台控制探针，调整微米光波导的位置、耦合长度等。该方法已经有相关文献公开，具体请详见：Direct Coupling of Plasmonic andPhotonicNanowires for Hybrid Nanophotonic Components and Circuits(NanoLett.2009)(复合纳米光子器件和回路中等离激元纳米线与光子纳米线的直接耦合(纳米快报.2009))。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种微型压力变色传感器及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种微型压力变色传感器，其特征在于：包括柔性基底、微型宽带光源和微米光波导，所述微型宽带光源和微米光波导封装于柔性基底内，所述微米光波导具有输入端、输出端和环形腔，所述环形腔位于输入端和输出端之间，所述微米光波导的输入端对应放置于微型宽带光源的有源区出光面。
2.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述环形腔为结型环形腔。
3.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述柔性基底包括基片和盖片，所述微型宽带光源与微米光波导固装于基片上，所述盖片覆设于基片上。
4.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述环形腔的直径尺寸范围为40～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述柔性基底为石墨烯基底。
6.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述微米光波导的直径为2～10μm，其长度为1～3cm。
7.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述微米光波导为微米光纤或高分子聚合物微米线。
8.根据权利要求1所述的一种微型压力变色传感器，其特征在于：所述微型宽带光源为白光二极管。
9.一种微型压力变色传感器的制备方法，其特征在于：取一根微米光波导，在光学显微镜下，通过微纳操作在微米光波导上制作出环形腔；再将微米光波导的输入端对应放置于一微型宽带光源的有源区出光面以输入宽带光，使微米光波导的输出端输出相应的单色光；最后，采用柔性基底对所述微米光波导和微型宽带光源进行封装。
10.根据权利要求9所述的一种微型压力变色传感器的制备方法，其特征在于：所述通过微纳操作在微米光波导上制作出环形腔是指通过微纳操作将微米光波导打结形成所述环形腔。
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