CN112179412A - 一种可用于集成微纳光纤传感器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够用于集成微纳光纤传感器的装置，其中，芯片级光源和芯片级光探测器固定于柔性基底上，微纳光纤传感器中的微纳光纤的第一连接端的纤芯直径大于所传输的光的波长，微纳光纤的第二连接端的纤芯直径为亚波长尺度，第一连接端的端面固定于柔性基底上并与芯片级光源的出射光相对，使芯片级光源的出射光能够耦合进入微纳光纤，第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面粘接在一起且两者结合处封装于不透光封装物内，微纳光纤中纤芯直径为亚波长尺度的部分被封装。本发明不依赖接口元件，将微纳光纤传感器与芯片级光源和光探测器集成为芯片级器件，并使芯片级光探测器有效探测到微纳光纤的出射光，克服了迄今难以克服的技术障碍。

Description

一种可用于集成微纳光纤传感器的装置

技术领域

本发明涉及微纳光纤传感器和小型化集成装置，属于光纤传感领域。

背景技术

微纳光纤是近年逐步发展起来的、直径接近或小于其所传输的光的波长的一种新型光纤，被誉为“下一代光纤”，一经报道便引起了学界的广泛关注。微纳光纤的直径可以小至几百纳米，柔性好，弯曲半径可以小至微米量级，在高灵敏度传感方面具有突出优点。根据需求的不同，其长度范围可以从几十微米到几十厘米，甚至更长。这些优良特性使得微纳光纤非常适于制备分布式或者准分布式光纤传感器。

目前，微纳光纤通常使用普通光纤熔融拉锥制成，使拉伸区的纤芯的直径接近或小于所传输的光的波长（即为亚波长尺度）。微纳光纤通常包含腰区、未拉伸区和锥区，其中，在拉伸的中间区域形成芯径较细且均匀的腰区，腰区的两端未被拉伸的区域为未拉伸区，在腰区与未拉伸区之间芯径渐变的区域为锥区。微纳光纤传感器是基于微纳光纤这一新型结构发展而来的传感器，其基本原理为在微纳光纤的腰区制备特殊结构或涂覆特殊材料，形成微纳光纤传感区，从而使这一区域的材料折射率在外界参量（如温度、湿度、应力等）发生改变时同步发生改变，进而影响这一区域的倏逝场光强，最终改变微纳光纤的输出光强。相比于常见的电学传感器而言，微纳光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、柔韧性好等优点，因而在便携式可穿戴设备、机器人触觉等新兴领域具有良好的应用前景。

近年来，在基于微纳光纤的传感领域有较多的成果得到了报道。但整个微纳光纤传感器的应用严重依赖商品化、大尺寸的外置光源和光探测器。由于微纳光纤的拉伸区为亚波长尺度，极为纤细，因此，在实际使用中，目前微纳光纤传感器往往是在微纳光纤两端的未拉伸区（一般为标准通信光纤）借助标准接口元件（如FC接口、SC接口、ST接口等）与商品化、大尺寸的光源和光探测器连接。对便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等微纳光纤传感器的新型应用场景而言，其对传感装置的尺寸小型化、重量轻型化都有较高的要求，传统的商品化、大尺寸光源和光探测器显然并非合适的选择。因此，在这一类场景的微纳光纤传感装置中，芯片级的光源和光探测器就成为了最好的选择。对于芯片级光探测器，由于其感光面很小，很难与光纤直接对准，通常是用来探测不需要对准的空间光（如自然光），若要用于探测普通光纤的出射光，也需要通过上述标准接口元件连接，否则芯片级光探测器难以探测到普通光纤的出射光，无法正常工作。然而，标准接口元件尺寸相对较大，且需要额外与芯片级光探测器进行集成封装，因此并不适宜应用于芯片级的集成场景。如何在不依赖接口元件等大尺寸连接件的情况下，将微纳光纤传感器与芯片级光源和芯片级光探测器集成，使集成之后的传感装置整体仍为芯片级器件，以满足便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等新型应用场景对传感装置小型化和轻型化的需求，是微纳光纤传感领域迄今尚未得以克服的技术障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于集成微纳光纤传感器的装置，以使集成之后的传感装置整体仍为芯片级。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明能够用于集成微纳光纤传感器的装置包括柔性基底、芯片级光源、芯片级光探测器，所述芯片级光源和芯片级光探测器固定于柔性基底上，所述微纳光纤传感器中的微纳光纤的第一连接端的纤芯的直径大于所传输的光的波长，微纳光纤的第二连接端的纤芯的直径为亚波长尺度，所述第一连接端的端面固定于柔性基底上并与芯片级光源的出射光相对，使得芯片级光源的出射光能够耦合进入微纳光纤，所述第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面粘接在一起并封装于不透光的封装物内，所述微纳光纤中纤芯的直径为亚波长尺度的部分被封装。

进一步地，本发明所述第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面是使用不透光的粘结剂粘接在一起。

进一步地，本发明还包括固定件，所述固定件包括固定件基底，所述固定件基底设有凹槽和/或夹具，所述凹槽用于安装芯片级光源，所述夹具用于将所述微纳光纤的第一连接端夹紧。

进一步地，本发明所述凹槽与所述芯片级光源相匹配，以使芯片级光源能够嵌入凹槽中。

进一步地，本发明还包括固定于柔性基底上的数据处理模块，数据处理模块的输入端与芯片级光探测器的信号输出端连接，所述数据处理模块能够对芯片级光探测器输出的数据进行端侧处理，所述端侧处理包括对芯片级光探测器输出的数据进行模数转换。

进一步地，本发明所述端侧处理还包括对所述模数转换后的数据进行降噪、滤波。

进一步地，本发明还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块的输入端与数据处理模块的输出端连接。

与现有技术对比，本发明具有如下有益效果：（1）本发明不依赖接口元件等大尺寸连接件的情况下，将微纳光纤传感器与芯片级光源和芯片级光探测器集成，可使芯片级光探测器有效地探测到微纳光纤的出射光，并使集成之后的整体仍为芯片级器件，克服了迄今难以克服的技术障碍，获得了预料不到的技术效果。（2）本发明能够集成芯片级光源、芯片级光探测器和微纳光纤传感器等芯片级器件，解决了微纳光纤传感器在需要芯片级器件的实际应用场景中的瓶颈，实现了微纳光纤传感器在便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等新型实用场景中的应用，具有特别现实的积极意义；（3）本发明具有数据处理功能和无线数据传输功能，减少了后端数据处理的复杂度，解决了传感装置与数据处理设备间的数据传输问题，进一步拓宽了整个系统的应用场景；（4）本发明结构简洁，加工过程简单、成本低、重复性和可靠性好，便于大规模生产制造。

附图说明

图1为本发明传感器的一种实施方式的结构示意图（其中，微纳光纤传感器仅示出微纳光纤）；

图2为固定件的一种结构示意图的使用状态示意图（其中，微纳光纤仅示出第二连接端）；

图中，AB-微纳光纤传感区，1-微纳光纤的第一连接端，2-微纳光纤的第二连接端，3-微纳光纤锥区，4-固定件，41-凹槽，42-夹具，43-固定件基底，5-芯片级光源，6-无线数据传输模块，7-芯片级光探测器，8-不透光的黏合材料，9-数据处理模块，10-柔性基底。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。以下实施例仅用于解释说明本发明，不作为对本发明的限定。

本发明装置能够将微纳光纤传感器与芯片级光源、芯片级光探测器、数据处理模块、无线数据传输模块等集成，并使集成后的器件尺寸整体仍为芯片级，实现微纳光纤传感器在便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等需要芯片级器件的新型实用场景中的应用，从而满足微纳光纤传感器的轻型化、小型化和实用化的需求。

可适用于本发明装置的微纳光纤传感器的具体传感器类型和具体结构并无限制，只要满足以下条件即可： 微纳光纤传感器中的微纳光纤的第一连接端的纤芯的直径大于所传输的光的波长，光源的出射光由该第一连接端耦合进入微纳光纤；微纳光纤的第二连接端的纤芯的直径为亚波长尺度，微纳光纤的出射光由该第二连接端进入光探测器。

将本发明装置应用于集成微纳光纤传感器具有特别现实的积极意义。微纳光纤传感器的微纳光纤传感区可探测周围待探测的环境参量，包括但不限于温度、湿度或应力（如压力、形变等）等。微纳光纤传感器的基本工作原理为在微纳光纤的纤芯处直径接近或小于微纳光纤所传输的光的波长的部位（亚波长尺度部位）制备特殊结构或涂覆特殊材料，形成微纳光纤的传感区AB，从而使传感区AB的材料折射率在环境参量（包括但不限于温度、湿度、应力等）发生改变时同步发生改变，进而影响这一区域的倏逝场光强，最终改变微纳光纤的输出光强，进而测得温度、湿度或应力（压力、形变等）等环境参量，实现对环境参量的传感。

本发明中，微纳光纤传感器中的微纳光纤若使用熔融拉锥法制备得到，则微纳光纤包含腰区、锥区和未拉伸区。其中，在拉伸的中间区域形成芯径较细且均匀的腰区，两端未被拉伸的区域可称之为“未拉伸区”，在腰区与左、右“未拉伸区”之间各有一个芯径渐变过渡区，可称之为“锥区”。通常，微纳光纤腰区的直径接近或小于微纳光纤所传输的光的波长，为亚波长尺度。在本发明中，根据实际需求，可在同一根微纳光纤的多处分别进行拉锥，因此，相应地，同一根微纳光纤可以有多个腰区；并且，只要拉伸工艺允许，可在腰区上作进一步拉锥，从而在原有腰区的基础上形成更细的腰区。微纳光纤的两端为连接端，其中，第一连接端1的纤芯的直径大于所传输的光的波长，第二连接端2的纤芯的直径为亚波长尺度。微纳光纤在第一连接端1处可不作拉伸，纤芯外的涂覆层保留。第二连接端2处的纤芯在拉伸过程中通常被除去涂覆层，呈裸露状态。微纳光纤中纤芯的直径为亚波长尺度的部分被封装，以便更好地保护被拉伸后的脆弱的纤芯不被折断并使信号更稳定地在微纳光纤中传输。此处的封装物可为透光或不透光材料。

如图1所示，本发明能够用于集成微纳光纤传感器的装置主要包括柔性基底10、芯片级光源5和芯片级光探测器7，芯片级光源5和芯片级光探测器7固定于柔性基底10上。微纳光纤的第一连接端1的端面固定于柔性基底上并与芯片级光源的出射光相对，使得芯片级光源5的出射光能够耦合进入微纳光纤。在本发明中，芯片级光源可使用可见光波段和近红外光波段的功率型封装、贴片型封装LED及VECSEL激光器等适宜进行芯片级集成的光源。如图1所示，微纳光纤的第二连接端2的头部与芯片级光探测器7的感光面粘接在一起并封装于不透光的封装物内，由此实现芯片级光探测器7对微纳光纤的出射光的有效探测。作为本发明的优选实施方式，此处的不透光的封装物可为不透光的黏合材料8。当第二连接端2的头部使用不透光的黏合材料8粘接在芯片级光探测器7的感光面上时，由于第二连接端2的头部被不透光的黏合材料9包裹而实现不透光的封装。在本发明中，芯片级光探测器7可使用各种芯片型封装的光探测器。

为更好地说明本发明的技术效果，将本发明的微纳光纤的第二连接端2的头部与芯片级光探测器7的感光面的连接方式与现有技术及其它连接方式进行对比，对比结果可见表1。表1中，实施例1为本发明的微纳光纤的第二连接端2的头部与芯片级光探测器7的感光面使用不透光的黏合材料粘接在一起；实施例2为本发明的微纳光纤的第二连接端2的头部与芯片级光探测器7的感光面使用透光的黏合材料粘接在一起并使用不透光的封装物封装；对比例1为普通光纤与芯片级光探测器的感光面通过FC接口连接；对比例2为普通光纤的头部与芯片级光探测器的感光面使用不透光的黏合材料粘接在一起；对比例3为普通光纤的头部与芯片级光探测器的感光面使用透光的黏合材料粘接在一起且未使用不透光的封装物封装；对比例4为普通光纤的头部与芯片级光探测器的感光面使用透光的黏合材料粘接在一起但使用不透光的封装物封装；对比例5为本发明的微纳光纤的第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面使用透光的黏合材料粘接在一起且未使用不透光的封装物封装。

表1

实施例/对比例

实施例1

实施例2

对比例1

对比例2

对比例3

对比例4

对比例5

是否有效探测到微纳光纤的出射光

是

是

是

否

否

否

否

由表1可见，实施例1和实施例2均可使芯片级光探测器有效探测到微纳光纤的出射光。

对比例1证明，普通光纤使用FC接口连接可使芯片级光探测器有效探测到普通光纤的出射光。

对比例2、对比例3和4证明，普通光纤若采用与芯片级光探测器的感光面直接粘接的连接方式，则无论是使用透光或不透光的黏合材料，也无论是否进行不透光的封装，芯片级光探测器均未能有效探测到普通光纤的出射光。其中，因对比例2使用了使用不透光的黏合材料，相当于使用本发明的连接方式在普通光纤的头部与芯片级光探测器的感光面进行了不透光的封装。

对比例5证明，本发明的微纳光纤的第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面使用透光的黏合材料粘接在一起但未使用不透光的封装物封装，则芯片级光探测器未能有效探测到微纳光纤的出射光。

由上可见，芯片级光探测器若要有效探测普通光纤的出射光，则必须使用接口元件等大尺寸连接件。而本发明在不依赖接口元件等大尺寸连接件的情况下，将微纳光纤的第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面直接粘接在一起并封装于不透光的封装物内，可使芯片级光探测器有效地探测到微纳光纤的出射光，从而使微纳光纤传感器与芯片级光源和芯片级光探测器的集成成为可能，并使集成之后的整体仍为芯片级器件，克服了迄今难以克服的技术障碍，获得了预料不到的技术效果。

作为本发明的优选实施方式，在柔性基底10上固定有数据处理模块9。芯片级光探测器7的输出端与数据处理模块9的输入端连接，数据处理模块9能够对芯片级光探测器7输出的数据进行端侧处理，端侧处理包括对芯片级光探测器输出的数据进行模数转换、降噪、滤波等，以便于后续的外界数据处理设备对芯片级光探测器7所取得的数据作进一步处理。由于目前对光探测器所取得的数据的处理需在如电脑等数据处理中心（简称“中心侧处理”）进行，微纳光纤传感器难以应用于智能机器人、便携式可穿戴设备等场景中。而本发明装置自身具备对光探测器所取得的数据进行端侧处理能力，减轻了中心侧数据处理的压力，更使微纳光纤传感器直接应用于智能机器人、便携式可穿戴设备等场景中成为可能。

如图2所示，作为本发明的优选方案，还可进一步包括固定件4，固定件4包括固定件基底43，固定件基底43设有凹槽41和/或夹具42。

其中，凹槽41用于安装芯片级光源5，夹具用于将微纳光纤的第一连接端1夹紧，以更好地保证芯片级光源5的出射光能够耦合进入微纳光纤。作为本发明的一种实施方式，凹槽41的形状和大小与芯片级光源5相匹配，以使芯片级光源能够稳固地嵌入凹槽41中。当然，也可使用其它适合的方式（如粘结的方式）将芯片级光源5固定在凹槽41内。

作为本发明的更优选方案，本发明还可进一步包括无线数据传输模块6，无线数据传输模块6的输入端与数据处理模块9的输出端连接。在本发明中，无线数据传输模块6可利用NFC技术、蓝牙技术或WIFI技术对数据处理模块9处理后的数据进行读取并无线传输至外界数据处理设备，以便于外界数据处理设备对经端侧处理后的探测数据进行进一步的处理。作为本发明的一种实施方式，无线数据传输模块可由NFC芯片及作为天线的金属线圈组成。

在本发明中，柔性基底10、固定件基底43和封装材料均可为硬质或柔性材料。作为优选方案，柔性基底10和固定件基底43同为硬质材料或同为柔性材料。例如，柔性基底10和固定件基底43均可使用PDMS材料。为了更好地保护本发明装置不受损，本发明的整个传感装置可使用封装材料进行封装。

利用本发明装置可将芯片级光源5、芯片级光探测器7、微纳光纤传感器、数据处理模块9和无线数据传输模块6集成在一起，并使集成后的整体仍为芯片级器件。本发明还可利用数据处理模块9对芯片级光探测器7输出的数据进行模数转换、降噪、滤波等端侧处理，不仅减少了中心侧数据处理的压力，进一步在芯片级集成的基础上拓宽了微纳光纤传感装置的功能，使微纳光纤传感器直接应用于智能机器人、便携式可穿戴设备中等场景中成为可能。此外，本发明的无线数据传输模块6可对数据处理模块9处理后的数据进行读取并无线传输至外界数据处理设备作进一步的处理，使微纳光纤传感器的应用更加灵活。本发明装置整体结构紧凑，并可在柔性基底上正常工作，特别适合应用于便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤中，可以满足人造皮肤、物联网家居等多个场景的传感需要。

Claims (10)

1.一种能够用于集成微纳光纤传感器的装置，其特征是：包括柔性基底、芯片级光源、芯片级光探测器，所述芯片级光源和芯片级光探测器固定于柔性基底上，所述微纳光纤传感器中的微纳光纤的第一连接端的纤芯的直径大于所传输的光的波长，微纳光纤的第二连接端的纤芯的直径为亚波长尺度，所述第一连接端的端面固定于柔性基底上并与芯片级光源的出射光相对，使得芯片级光源的出射光能够耦合进入微纳光纤，所述第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面粘接在一起并封装于不透光的封装物内，所述微纳光纤中纤芯的直径为亚波长尺度的部分被封装。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面是使用不透光的粘结剂粘接在一起。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是：还包括固定件，所述固定件包括固定件基底，所述固定件基底设有凹槽和/或夹具，所述凹槽用于安装芯片级光源，所述夹具用于将所述微纳光纤的第一连接端夹紧。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是：所述凹槽与所述芯片级光源相匹配，以使芯片级光源能够嵌入凹槽中。

5.根据权利要求1、2或4所述的装置，其特征是：还包括固定于柔性基底上的数据处理模块，数据处理模块的输入端与芯片级光探测器的信号输出端连接，所述数据处理模块能够对芯片级光探测器输出的数据进行端侧处理，所述端侧处理包括对芯片级光探测器输出的数据进行模数转换。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征是：还包括固定于柔性基底上的数据处理模块，数据处理模块的输入端与芯片级光探测器的信号输出端连接，所述数据处理模块能够对芯片级光探测器输出的数据进行端侧处理，所述端侧处理包括对芯片级光探测器输出的数据进行模数转换。

7.据权利要求5所述的装置，其特征是：所述端侧处理还包括对所述模数转换后的数据进行降噪、滤波。

8.据权利要求6所述的装置，其特征是：所述端侧处理还包括对所述模数转换后的数据进行降噪、滤波。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征是：还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块的输入端与数据处理模块的输出端连接。

10.根据权利要求6、7或8所述的装置，其特征是：还包括无线数据传输模块，所述无线数据传输模块的输入端与数据处理模块的输出端连接。

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