CN116295656A - 基于光电融合的一体化多参量传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电融合的一体化压力/温度/接近多参量传感器及其制备方法。包括基于光学机制的柔性光波导和卷绕在其上的基于电学机制的柔性叉指电极薄膜，其中柔性光波导由两根插入到硅胶管中且相隔距离的光纤构成；该传感器借助光电融合的多维度响应信号实现压力—温度—接近三参量的自解耦无串扰感知，压力通过光波导损耗以光强的形式测量，温度通过电极的热阻效应以电阻的形式测量，物体接近通过叉指电极边缘电场以电容的形式测量。本发明的一体化多参量传感器可同时监测压力、温度和接近并且没有信号串扰，结构紧凑、制备简单、无需复杂的系统集成和解耦算法，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域的一种柔性多参量传感器和制备方法，具体涉及一种基于光电融合的一体化压力—温度—接近多参量传感器及其制备方法。
背景技术
具有多参量感知能力的柔性传感器是类人电子皮肤的重要组成部分，在机器人、智能假肢、人机交互等领域具有广阔的应用前景。近年来，多参量传感器的研究方案主要有两种，一是将多个传感单元集成为感知系统，二是开发对多种刺激响应的多功能材料。
然而，将多个不同功能的传感器组件组合在一起增加了系统的复杂性，集成工艺和信号处理较为复杂，且系统紧凑度不高；而基于对多种刺激有响应的多功能材料的一体化多参量传感器，由于各刺激间存在交叉敏感性，信号串扰阻碍了传感器实时监测的分辨能力，从而需要复杂的算法将多种刺激信号解耦。因此，在不涉及复杂系统集成和解耦算法的情况下，直观且无干扰地读取多种刺激信号，仍然是多参量传感器的一大挑战。
现有技术中缺少了能够同时测量物体压力—温度—接近三参量并进行自解耦，且没有信号串扰、无需算法解耦、结构紧凑的一体化多参量传感器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种同时能够同时测量压力—温度—接近三参量的一体化柔性多参量传感器及其制备方法，是一体化的、无交叉敏感性的、无信号串扰的传感器，解决现有技术中传感系统复杂，成本过高，信号串扰以及需要复杂算法解耦的问题，能够同时监测压力—温度—接近并且没有信号串扰，结构紧凑、制备简单、无需复杂的系统集成和解耦算法，具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案包括：
一、一种基于光电融合的一体化多参量传感器：
包含一个柔性光波导和包裹卷绕在柔性光波导外表面上的柔性叉指电极薄膜，所述的柔性光波导由两根光纤插入到硅胶管中且相隔一定距离构成，柔性叉指电极薄膜包括柔性基底和印刷在基底上的PEDOT:PSS叉指电极。
更具体地，所述的柔性光波导是由两根光纤分别插入到同一硅胶管的两端内、且插入硅胶管内的两根光纤端部相隔距离布置构成。
所述的硅胶管的内径为200μm，外径2mm。
所述的光纤是二氧化硅光纤或者聚合物光纤，两根光纤端部之间的间隔距离在1-5mm之间。
所述的柔性叉指电极薄膜的基底包括但不限于丝素蛋白、聚氨酯、PDMS薄膜，厚度为20-200μm。
所述的柔性叉指电极薄膜的PEDOT:PSS是经过乙二醇改性的，乙二醇的质量是PEDOT:PSS溶液的5wt%。
所述的PEDOT:PSS叉指电极的制备方法包括丝网印刷、激光刻蚀。
所述的两根光纤通过光纤适配器耦合到外部的光谱仪上采集信号，所述柔性叉指电极薄膜的两个电极分别电连接到外部的电容采集电路、其中一条电极两端分别电连接到外部的电阻采集电路上。
柔性叉指电极薄膜包括柔性基底和印刷在基底上的PEDOT:PSS叉指电极图案。该传感器可以同时监测压力—温度—接近且没有信号串扰，并且结构紧凑、制备简单、无需复杂的系统集成和解耦算法，具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案中，由基于光学机制的柔性光波导测量压力，由基于电学机制的PEDOT:PSS温敏材料测温度，由叉指电极测物体的接近。
本发明的传感器中，压力通过光波导损耗以光强的形式测量，温度通过电极的热阻效应以电阻的形式测量，物体接近通过叉指电极边缘电场以电容的形式测量，通过光和电两种相互独立的信号协同实现三参量的自解耦无串扰感知。
二、一种基于光电融合的一体化多参量传感器的制备方法，包括如下步骤：
（1）柔性光波导的制备：
切割长度为2cm的一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接，从而将光纤固定；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
所述的步骤（2）具体为：
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后在柔性基底上丝网印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性叉指电极薄膜。
所述柔性光波导在压力作用下产生形变，光的传输损耗随之增大，光强变化值与压力的大小相关，从而实现对压力的测量。
在柔性叉指电极薄膜的其中一条电极两端分别连接第一导线和第二导线的两根导线，在另一条电极的一端连接第三导线。
所述柔性叉指电极导线的第一导线和第二导线间的PEDOT:PSS电阻会随温度的变化而变化，从而实现对温度的测量。
所述柔性叉指电极导线的第一导线和第三导线间的边缘电场会在物体接近时发生改变，电容变化值与物体接近的距离相关，从而实现对接近的测量。
通常的压力—温度双参量传感器基于电学传感机制，如压阻效应、压电容效应、或者压电效应，即施加压力后传感器的电阻、电容、电压发生变化，从而检测压力。但除了压力外，温度往往也会导致传感器的电阻等参数发生变化，压力和温度间存在信号串扰，因此传感器无法自解耦压力和温度并准确分辨。此外，接近传感器通常也是基于电容效应，压力和物体接近都会导致其电容变化，也存在信号串扰。由于基于电学原理的传感器对压力、温度和接近三个参量输出的都是电容、电压、电流或电阻这类相似且相互依赖的电信号，单一的电信号很难将压力—温度—接近三参量解耦。
而本发明中采用光学和电学两种完全不同的感应机制，以光和电两个维度且相互独立的信号，对压力—温度—接近进行监测。以是否有光强变化作为物体接触或非接触（接近）的判断条件，然后通过光强变化测量压力或者通过电容变化测量接近距离，通过电阻变化测量温度。其中测量压力的光强信号与温度和物体接近无关；测量温度的PEDOT:PSS材料具有很低的应变敏感性，因此其电阻不受压力和物体接近影响；测量接近的叉指电极边缘电场的电容信号不受温度的影响。因此，本发明的基于光电融合的多参量传感器能够同时监测压力—温度—接近三个参量且没有信号串扰。
三、一种基于光电融合的一体化多参量传感器的应用测量方法，包括如下步骤：
本发明的一体化多参量传感器能够同时进行压力—温度—接近三参量的检测，且相互不串扰，无需解耦算法处理对不同参量的信号进行解析分离。
具体地：
压力：柔性光波导光纤两端分别连接光源和光谱仪，输出光强由光谱仪实时监测，光波导受压后变形，导致光的传输损耗增加，其灵敏度通过输出光和输入光的光强变化率计算得到。
温度：在不同温度下PEDOT:PSS材料内部的导电网络及电荷传输不同，导致自身电阻随温度发生变化，进而通过测量柔性叉指电极薄膜其中一个电极的PEDOT:PSS的相对电阻变化率获得温度结果。
接近：柔性叉指电极薄膜内部两个叉指电极之间的边缘电场分布随物体接近而改变，导致其电容发生改变，从而通过电容的相对变化率获得接近结果。
本发明所选的柔性叉指电极的电容由以下公式设置：
C=(2εrε0(N-1)L) ln[(1+w/g)+( (1+w/g)2-1)1/2]/π
其中εr是基底的相对介电常数，ε0是真空介电常数，叉指间距为2g，长度为L，宽度为w，N为叉指数。根据这一公式，叉指电极的电容只与基底的介电常数与叉指结构参数有关，因此，本发明选取介电常数在工作温度范围内几乎不变化的柔性基底，使得温度不会对接近测量产生影响。
变形情况下，本发明所选的柔性叉指电极薄膜的材料对应变的敏感性很低，且内部导电网络密集，受压力影响较小，这使得压力作用下变形不会对温度测量产生影响。
同时，本发明中以是否有光强变化作为物体是接触还是非接触（接近）的判断条件，如果已接触，则通过光强变化获得压力结果、通过电阻变化获得温度结果；如果为接触，则通过电容变化获得接近结果，通过电阻变化获得温度结果。
由此，本发明能够实现接近、压力、温度的三种参量检测且相互不串扰。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明的一体化多参量传感器相较于将多个传感器集成在一起的传感系统来说，具有体积小、结构简单、制备工艺简单、成本低廉的优势。此外，由于一体化传感器的紧凑结构，能够同时检测同一位置的压力和温度，而多个传感器集成的传感系统监测的压力和温度往往不是同一位置。
（2）本发明的基于光电融合的一体化多参量传感器，相较于通常的基于单一原理的电学或光学传感器，具有更多维度的感知信号，因此多参量间没有串扰并且不需要解耦。而通常的基于单一感应原理的传感器则需要复杂的算法和软硬件对多参量进行解耦，甚至无法解耦。
综合来说，本发明获得了一种结构紧凑、制备简单、无需复杂的系统集成和解耦算法，能同时监测压力、温度和接近且没有信号串扰的一体化多参量传感器，对元宇宙虚实交互、人机交互、智能机器人等领域的发展具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1中柔性压力传感器的结构示意图，(a)为器件整体的结构图；(b)为器件的截面示意图。
图2为实施例1、对比例1-3中不同的电极结构，(a)为平面电极；(b)为叉指对数2对的叉指电极；(c)为叉指对数3对的叉指电极；(d)为叉指对数4对的叉指电极。
图3为具有4种不同电极结构的传感器的接近响应性能。
图4为多参量传感器对压力的响应，(a)为不同压力下多参量传感器的光谱；(b)为施加不同压强传感器的光强变化和灵敏度。
图5为多参量传感器对温度的响应，(a)为多参量传感器的温度灵敏度；(b)为多参量传感器在不同温度下的电阻变化率。
图6为多参量传感器的电容与温度的依赖关系。
图7为多参量传感器压力响应与温度的依赖关系。(a)为不同温度下传感器的光谱；(b)为不同温度下传感器的压力响应。
图8为多参量传感器温度响应与压力的依赖关系。(a)为不同压力作用下传感器的温度响应；(b)为对传感器施加压力和温度时其光强和电阻的变化情况。
具体实施方式
下面结合具体的实施例与附图对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1：基于3对叉指电极的光电融合的一体化多参量传感器
（1）柔性光波导的制备：
切割长度为2cm的一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接，从而将光纤固定；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后用具有3对叉指结构的丝网印刷板，在Plasma处理10min的柔性基底上印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性的3对叉指的电极薄膜。
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
对比例1：基于平面电极的光电融合的一体化多参量传感器
（1）柔性光波导的制备：
切割长度为2cm的一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接，从而将光纤固定；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后用具有平面电极结构的丝网印刷板，在Plasma处理10min的柔性基底上印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性的平面电极薄膜。
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
对比例2：基于2对叉指电极的光电融合的一体化多参量传感器
（1）柔性光波导的制备：
切割长度为2cm的一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接，从而将光纤固定；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后用具有2对叉指结构的丝网印刷板，在Plasma处理10min的柔性基底上印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性的2对叉指的电极薄膜。
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
对比例3：基于4对叉指电极的光电融合的一体化多参量传感器
（1）柔性光波导的制备：
切割长度为2cm的一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接，从而将光纤固定；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后用具有4对叉指结构的丝网印刷板，在Plasma处理10min的柔性基底上印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性的4对叉指的电极薄膜。
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
本发明的实施例和对比对比例1-3的测试情况和结果如图3所示。可以看到通过叉指结构的优化，本发明的多参量传感器具有很高的接近响应灵敏度。
图4是本发明的多参量传感器的压力响应情况，可以看到该传感器的光强随压力的增加而减小，其灵敏度为0.53kPa-1。
图5是本发明的多参量传感器的温度响应情况，可以看到其电阻随温度的增加而减小，其灵敏度为7%/°C，可以感应0.05°C的温度变化。
图6为本发明的多参量传感器的电容随温度的变化情况，可以看到温度从30°C上升到75°C，传感器的电容随其变化很小，基本可以实现温度对电容的无串扰。
图7为不同温度下传感器的光谱响应随压力的变化情况，可以看到传感器的光强及压力响应基本不随温度变化，可以实现温度对压力的无串扰。
图8的(a)为施加不同载荷时传感器的电阻随温度的变化情况，可以看到其温度响应基本不随压力变化产生太大的影响，图8的(b)为对传感器施加压力和温度变化时，其光强和电阻信号的同步记录情况，可以看到按压时仅有光强变化而电阻无变化，而温度变化时仅有电阻的变化而光强无变化，可以实现压力和温度的无串扰感知。
由此实施可见，本发明能够同时实现对接近、压力和温度的高灵敏度，并且三个参量间的测量没有信号串扰，不需要复杂的解耦过程就能区分接近、压力和温度多参量。
Claims (8)
1.一种基于光电融合的一体化多参量传感器，其特征在于：
包含一个柔性光波导和卷绕在柔性光波导外表面上的柔性叉指电极薄膜，所述的柔性光波导由两根光纤插入到硅胶管中且相隔距离构成，柔性叉指电极薄膜包括柔性基底和印刷在基底上的PEDOT:PSS叉指电极。
2.根据权利要求1所述的基于光电融合的一体化多参量传感器，其特征在于：所述的柔性光波导是由两根光纤分别插入到同一硅胶管的两端内、且插入硅胶管内的两根光纤端部相隔距离布置构成。
3.根据权利要求2所述的基于光电融合的一体化多参量传感器，其特征在于：所述的柔性叉指电极薄膜的基底包括但不限于丝素蛋白、聚氨酯、PDMS薄膜，厚度为20-200μm。
4.根据权利要求3所述的基于光电融合的一体化多参量传感器，其特征在于：所述的柔性叉指电极薄膜的PEDOT:PSS是经过乙二醇改性的，乙二醇的质量是PEDOT:PSS溶液的5wt%。
5.根据权利要求1所述的基于光电融合的一体化多参量传感器，其特征在于：所述的两根光纤通过光纤适配器耦合到外部的光谱仪上采集信号，所述柔性叉指电极薄膜的两个电极分别电连接到外部的电容采集电路、其中一条电极两端分别电连接到外部的电阻采集电路上。
6.一种权利要求1-5任一项所述一体化多参量传感器的制备方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
（1）柔性光波导的制备：
切割一段硅胶管，在硅胶管的两端开口内分别插入一根平头光纤，然后使两根光纤头内端部之间相距1-5mm，硅胶管两端和光纤之间通过紫外固化胶连接；
（2）柔性叉指电极薄膜的制备；
（3）传感器的制备：
将柔性叉指电极薄膜连接导线，然后将柔性叉指电极薄膜绕硅胶管卷绕在硅胶管外表面，并借助温敏胶固定于硅胶管外表面，组成一体化多参量传感器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
所述的步骤（2）具体为：
首先在PEDOT:PSS溶液中加入质量分数5wt%的乙二醇，室温搅拌半小时后，50°C加热搅拌24小时得到浓缩的PEDOT:PSS溶液；
然后在柔性基底上丝网印刷浓缩的PEDOT:PSS溶液，60°C干燥半小时后100°C退火10分钟，得到柔性叉指电极薄膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
在柔性叉指电极薄膜的其中一条电极两端分别连接第一导线和第二导线的两根导线，在另一条电极的一端连接第三导线。
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