CN116337295A - 一种仿生光学纤毛触觉传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学检测技术领域，具体为一种仿生光学纤毛触觉传感器及其制备方法和应用。本发明传感器由拉锥光纤、空心石英微泡结构和外包裹的紫外胶组成；空心石英微泡结构包括石英毛细管及其端部的空心石英微泡；空心石英微泡和拉锥光纤的耦合部分被包裹在紫外胶的中心区域；石英毛细管作为外力作用的传感部件；石英微泡作为光学谐振腔。在传感时，由于石英毛细管对机械力的传导作用，位于毛细管端部的石英微泡腔发生形变，导致激光在微泡腔内的谐振波长发生偏移，根据偏移量大小来判断机械力和位移量。本发明具有超高的品质因数；且采用光信号传感，不受电磁干扰影响，可满足严禁烟火等特殊场合所需的高灵敏度、高响应速度特性要求。
Description
技术领域
本发明属于光学传感技术领域，具体涉及仿生光学纤毛触觉传感器及其制备方法和应用。
背景技术
利用光学技术实现传感检测的方法已被广泛应用于各种物理化学领域的基础研究和应用。基于光学回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)的微谐振腔具有非常高的品质因子、较小的模式体积和极强的内建电场，在光与物质相互作用时，能够起到增强的作用。
当光在WGM微腔内来回传播时，只有满足谐振条件(mλ＝2πRneff)的光才能稳定存在。其中neff为微腔的有效折射率，R为微腔半径，λ是量子数m对应的谐振波长。外界环境变化会引起微腔的几何形状发生改变(dR)或有效折射率改变(dneff)，从而导致谐振波长偏移(dλ/λ＝dR/R+dneff/neff)[1,2]。因此，通过监测WGM模式的变化大小，就可以判断分析物或外界变量的存在与否或量的多少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高灵敏、高Q值的仿生光学纤毛触觉传感器及其制备方法和应用。
本发明提供的仿生光学纤毛触觉传感器，是一种基于光学回音壁模式谐振腔的传感器，由拉锥光纤、空心石英微泡结构和外包裹的紫外胶组成。其中：
所述空心石英微泡结构是由一个长度在2～6cm的石英毛细管及其端部的空心石英微泡组成；所述空心石英微泡是由石英毛细管通过电极或氢氧焰加热熔融方式吹制而在石英毛细管端部形成；石英毛细管作为外力作用的传感部件，模仿动物的纤毛，用于感受外力；石英微泡作为光学谐振腔；
所述拉锥光纤用于模拟动物体内的神经纤维，在仿生光学纤毛传感器中具有信号传输功能；
所述紫外胶用于模仿动物体纤毛的皮肤层，
所述紫外胶一般可以设置为方形；
所述空心石英微泡和拉锥光纤的耦合部分包裹在紫外胶的中心区域；具体地：
所述空心石英微泡包裹在紫外胶的中间部位，石英毛细管从方形紫外胶上部中间穿出，暴露在紫外胶外；
所述拉锥光纤的锥形部分也包裹在紫外胶的中间部位，锥形部分靠近石英微泡(即有一定间距)；光纤的非锥形部分从方形紫外胶左右两侧面穿出，暴露在紫外胶外；
所述拉锥光纤与石英毛细管相互垂直。
所述拉锥光纤由裸光纤熔融拉细而成，拉锥光纤中间最细区域直径为1μm至3μm。
所述石英微泡的直径不超过1毫米(例如为：40μm至1mm)，壁厚不超过5微米(例如为：0.4至5μm)。
所述紫外胶作为保护层用于模仿动物体纤毛的皮肤层，也可以起到保护石英微泡和拉锥光纤的作用，提高传感器稳定性。
所述紫外胶具体为一种折射率在1.30～1.33的聚合物，折射率越低的紫外胶能够降低光场在微腔内的损耗，保留越多的光学WGM模式；所述聚合物，可以为MyPolymer公司的MY131、MY132等材料。
本发明还提供所述仿生光学纤毛触觉传感器的制备方法，具体步骤为：
(1)选取一段毛细石英管，用光纤熔接机将毛细石英管一端熔融封闭；
(2)将毛细石英管末端用酒精灯烧蚀掉外涂覆层，并用擦镜纸和酒精擦拭干净，然后放到熔接机电极中间处；
(3)启动熔接机放电功能，同时向毛细石英管内注入空气来增大压强，在电极高压放电作用下，处于电极中间处熔融的石英管由于压强增大而发生一定幅度的膨胀；
(4)通过多次重复步骤(3)的方式，得到所需尺寸的石英微泡腔结构；
(5)制备好的空芯微泡腔与预先制备好的拉锥光纤分别架在两个五维高精度光学调整架上，并在显微镜下进行精密耦合；使得微泡腔靠近拉锥光纤，实现激光信号的耦合(传入传出)；
(6)利用紫外胶将拉锥光纤和微泡腔固定在一起，完成传感器制备。
本发明的仿生光学纤毛触觉传感器可用于检测微小的机械力变化和距离变化。
本发明仿生光学纤毛触觉传感器的工作原理为：当激光耦合入WGM微腔内，只有满足谐振条件(mλ＝2πRneff)的光信号才能稳定存在。neff为微腔的有效折射率，R为微腔半径，λ是量子数m对应的谐振波长。通过改变微腔的几何结构或者微腔周围的环境，均有可能引起微腔的几何形状发生改变(dR)或有效折射率改变(dneff)，从而导致谐振波长偏移(dλ/λ＝dR/R+dneff/neff)[1,2]。因此，通过监测WGM模式的变化大小，就可以判断分析物或外界变量的存在与否或量的多少。
检测时需要配置包含本发明仿生光学纤毛触觉传感器的检测系统，该检测系统包括：可调谐激光器，数据采集卡，信号线，光电探测器，电脑，力学传感器(电动位移台)，两根单模光纤；两根光纤一端分别与拉锥光纤的两端连接，两根光纤另一端分别与可调谐激光器和光电探测器连接；可调谐激光器和光电探测器分别通过信号线与采集卡连接，采集卡与电脑连接；其中：
所述可调谐激光器，用于产生并发出激光信号，波长范围为：400至2000μm；
所述单模光纤，用于将所述激光器产生的激光信号传输到单模光纤中；
所述单模光纤与拉锥光纤相连，并将激光信号传入石英微泡腔内，激光信号在微泡腔内形成共振信号，出射的光信号回传到拉锥光纤，经由另一端传出；
所述光电探测器，用于接收所述出射激光信号；
所述力学传感器，用于监测外力的大小和距离变化的大小；
所述数据采集卡，用于产生调制信号，并输入到可调谐激光器，控制可调谐激光器产生随信号变化而变化的激光波长；同时，光电探测器将出射光信号转换为电信号，再经由信号线传入数据采集卡。
所述电脑，用于控制数据采集卡，并以光谱的形式显示光电探测器收集到的光信号。
本发明检测系统的工作流程为：
开启可调谐激光器输出光信号，同时采集卡产生调制信号控制激光器扫频；光信号经由拉锥光纤传输耦合到微泡腔内，形成全内反射；石英毛细管作为传感器的感受器，通过电动位移台操控力传感器，微机械力可以沿着z轴方向或水平方向施加在石英毛细管上，经由毛细管对微机械力的传导甚至放大作用，微机械力进一步作用在石英微泡上，引起石英微泡几何结构变化，导致谐振信号的波长发生变化，最终光信号由拉锥光纤再次耦合输出；光电探测器将输出光信号转换成电信号，通过采集卡收集电信号，实时在电脑显示屏上显示光谱信息，根据谐振波长偏移量判断机械力及力位移大小；采集卡同时产生调制信号，输出给可调谐激光器，来控制激光器的输出波长做周期性变化。
本发明仿生光学纤毛触觉传感器具有超高的品质因数，可以实现对微小机械力进行检测(所谓“微小机械力”，一般力的大小范围为1μN至2mN，并可以检测微小的距离变化，例如为：30nm至1mm)，且采用光信号传感，可以不受电磁干扰影响，满足严禁烟火等特殊场合所需的高灵敏度、高响应速度特性。
本发明具有下述特点：
1、本发明与一般的电学触觉传感器有所区别；本发明中的传感核心元件为微泡谐振腔，利用微机械力导致的微泡腔发生形变，从而引起谐振波长偏移，通过检测谐振波长偏移大小来判断力的大小；
2、此传感器的具有方向性，可以判断一定范围内沿石英毛细管径向施加机械力的方向；
3、此仿生光学纤毛微泡传感器采用光信号来检测，具有抗电磁干扰功能；
4、本发明仿生光学纤毛微泡传感器具有超高的品质因子，可以实现对微小机械力和微小距离变化的检测；
5、此仿生光学纤毛微泡传感器对测试系统及其测试设备的要求不高，有利于推广应用；
6、此仿生光学纤毛微泡传感器易于制作，操作简单，整体设计成本较低。
附图说明
图1是本发明仿生光学纤毛触觉传感器结构图示。
图2是外力沿着z轴方向施加在本发明仿生光学纤毛触觉传感器图示。
图3是基于本发明仿生光学纤毛触觉传感器沿着轴向受力的测试系统图示。
图4是本发明仿生光学纤毛触觉传感器测得的光谱图。
图5是本发明仿生光学纤毛触觉传感测得波长偏移与外加轴向力对应关系。
图6是本发明沿着传感器水平面方向施加外力与方向的图示。
图7是基于本发明仿生光学纤毛触觉传感器沿着水平面方向受力的测试系统图示。
图8是本发明仿生光学纤毛触觉传感测得波长偏移与外加径向力对应关系。
图9是本发明仿生光学纤毛触觉传感器在不同力作用点L下对应的距离灵敏度和力灵敏度。
图10是本发明仿生光学纤毛触觉传感器在不同角度的机械力作用下对应的距离灵敏度和力灵敏度。
图中标号：1为石英微泡，2为拉锥光纤，3为低折射率紫外胶，4为垂直向下施加的机械力，5为沿着水平面方向施加的机械力，6为可调谐激光器，7为数据采集卡，8为信号线，9为光电探测器，10为电脑，11为商业化的力学传感器(由电动位移台操控)，12为单模光纤，13为光学纤毛触觉传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中，一种仿生光学纤毛微泡传感器(见图2)具体包括：一根石英毛细管(末端为空芯微泡结构)、一根拉锥光纤以及二者外部包裹的紫外胶。其中，石英毛细管末端为空心的石英微泡；拉锥光纤为裸光纤熔融拉细而成；紫外胶为一种低折射率的聚合物(这里以MyPolymer的MY132为例)。石英毛细管为传感器的感受器，感受器产生的变化最终以光信号的形式由拉锥光纤传输出，紫外胶作为保护层，提高传感器稳定性的同时，也起到保护石英微泡和拉锥光纤的作用。外机械力沿着z轴方向施加在石英微泡连结的石英毛细管上。
本装置中，光信号在经由拉锥光纤传输耦合到微泡腔内，形成全内反射；进行传感时，外界施加的机械力给传感器时，会导致谐振波长的偏移，根据偏移量大小来判断机械力大小。本发明微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对微小距离和微小机械力进行检测。且采用光信号传感，可以不受电磁干扰影响，满足严禁烟火等特殊场合所需的具有高灵敏度、高响应速度特性的传感器。
1、建立测试系统
图3给出了本发明的传感检测系统。可调谐激光器产生的激光(780nm为例)耦合到光纤中，再经拉锥光纤耦合到微泡腔内，微泡腔内模式耦合回到拉锥光纤，其透射谱通过光纤传输到光电探测器，光电探测器的信号传给采集卡，同时采集卡产生调制信号输给可调谐激光器，通过电脑来控制采集卡和显示出透射谱(如图4)。上述传感检测系统构成本发明的传感系统。
2、测试方法
轴向力测试系统如图3所示，透射谱如图4所示，其中两个WGM模式经过洛伦兹线性拟合得到品质因子Q等于1.0×107。通过向下移动商业化的力传感器，给予仿生光学纤毛微泡传感器一定的压力，同时观察透射谱上WGM谐振波长偏移情况。谐振波长偏移量对应压力变化的情况如图4所示，其中力位移矢量可以由电动位移台移动距离得出，压力大小可由商业化的力传感器测出，最终得到生光学纤毛微泡传感器的力位移灵敏度为0.87pm/μm，力灵敏度约为1.07pm/mN。
实施例2
本实施例中，外机械力沿着径向方向施加给仿生光学纤毛微泡传感器(见图6)具体包括：一根石英毛细管(末端为空芯微泡结构)、一根拉锥光纤以及它们外边包裹的紫外胶。其中，石英毛细管末端为空心的石英微泡；拉锥光纤为裸光纤熔融拉细而成；紫外胶为一种低折射率的聚合物。石英毛细管为传感器的感受器，感受器产生的变化最终由拉锥光纤传输出，紫外胶作为保护层，提高传感器稳定性的同时，也起到保护石英微泡和拉锥光纤的作用。外机械力沿着r轴方向施加在传感器上，力作用点距离微泡腔中心垂直方向距离为L。
本装置中，光信号在经由拉锥光纤传输耦合到微泡腔内，形成全内反射；进行传感时，外界施加的机械力给传感器时，会导致谐振波长的偏移，根据偏移量大小来判断机械力大小。本发明微泡传感器具有超高的品质因数，可以实现对微小机械力进行检测。且采用光信号传感，可以不受电磁干扰影响，满足严禁烟火等特殊场合所需的具有高灵敏度、高响应速度特性的传感器。
1、建立测试系统
图7给出了本发明的传感检测系统。可调谐激光器产生的激光(780nm为例)耦合到光纤中，再经拉锥光纤耦合到微泡腔内，微泡腔内模式耦合回到拉锥光纤，其透射谱通过光纤传输到光电探测器，光电探测器的信号传给采集卡，同时采集卡产生调制信号输给可调谐激光器，通过电脑来控制采集卡和显示出透射谱。上述传感检测系统构成本发明的传感系统。
2、测试方法
径向(水平方向)机械力测试系统如图7所示，L＝17mm，角度为0°。通过控制电动位移台上的商业化的力传感器沿径向移动，给予仿生光学纤毛微泡传感器一定的压力，观察透射谱上WGM谐振波长偏移情况。谐振波长偏移大小对应压力变化的情况如图8所示，其中距离变化大小可以由电动位移台移动距离得出，压力大小可由力学传感器测出，得到仿生光学纤毛微泡传感器的距离灵敏度为0.003pm/μm，力灵敏度约为2.65pm/mN。
通过改变力作用点距离L，角度为0°，测得不同力作用点下传感器的灵敏度，当L＝11mm时，最大的距离灵敏度SD2为0.068pm/μm；当L＝25mm时，测得最大的力灵敏度SFr为3.23pm/mN。
保持力作用点L＝22mm不变，当机械力围绕z轴以10°为间隔，测试水平面方向的灵敏度，结果见图10。可见传感器在水平面方向力学传感和距离传感具有一定的对称性和方向性。
参考文献：
[1]T.Ioppolo and M.V.
“Pressure tuning of whispering gallerymode resonators,”JOSA B 24,2721–2726(2007).
[2]H.Zhu,I.M.White,J.D.Suter,M.Zourob,and X.Fan,“Opto-fluidic micro-ring resonator for sensitive label-free viral detection,”Analyst 133,356–360(2008)。
Claims (9)
1.一种仿生光学纤毛触觉传感器，是基于光学回音壁模式谐振腔的传感器，其特征在于，由拉锥光纤、空心石英微泡结构和外包裹的紫外胶组成；其中：
所述空心石英微泡结构是由石英毛细管及其端部的空心石英微泡组成；所述空心石英微泡是由石英毛细管通过电极或氢氧焰加热熔融方式吹制而在石英毛细管端部形成；石英毛细管作为外力作用的传感部件，模仿动物的纤毛，用于感受外力；石英微泡作为光学谐振腔；
所述拉锥光纤用于模仿动物体内的神经纤维，在仿生光学纤毛传感器中具有信号传输功能；
所述紫外胶用于模仿动物体纤毛的皮肤层；
所述紫外胶设置为方形；
所述空心石英微泡和拉锥光纤的耦合部分包裹在紫外胶的中心区域；
所述拉锥光纤与石英毛细管相互垂直。
2.根据权利要求1所述的仿生光学纤毛触觉传感器，其特征在于，所述空心石英微泡和拉锥光纤的耦合部分包裹在紫外胶的中心区域；具体为：
所述空心石英微泡包裹在紫外胶的中间部位，石英毛细管从方形紫外胶上表面穿出，暴露在紫外胶外；
所述拉锥光纤的锥形部分也包裹在紫外胶的中间部位，锥形部分靠近石英微泡；光纤的非锥形部分从方形紫外胶左右两侧面穿出，暴露在紫外胶外。
3.根据权利要求1所述的仿生光学纤毛触觉传感器，其特征在于，所述石英微泡的直径不超过1毫米，壁厚不超过5微米。
4.根据权利要求1所述的仿生光学纤毛触觉传感器，其特征在于，所述紫外胶为折射率在1.30～1.33的聚合物。
5.根据权利要求4所述的仿生光学纤毛触觉传感器，其特征在于，所述聚合物选自MyPolymer公司的MY131、MY132。
6.如权利要求1所述的仿生光学纤毛触觉传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)选取一段石英毛细管，用光纤熔接机将石英毛细管一端熔融封闭；
(2)将石英毛细管末端用酒精灯烧蚀掉外涂覆层，并用擦镜纸和酒精擦拭干净后，置于熔接机电极中间处；
(3)启动熔接机放电功能，同时向石英毛细管内注入空气来增大压强，在电极高压放电作用下，处于电极中间处熔融的石英管由于压强增大而发生一定幅度的膨胀；
(4)通过多次重复步骤(3)的方式，得到所需尺寸的石英微泡腔结构；
(5)制备好的空芯微泡腔与预先制备好的拉锥光纤分别架在两个五维高精度光学调整架上，并在显微镜下进行精密耦合；使得微泡腔靠近拉锥光纤，实现激光信号的传入传出；
(6)利用紫外胶将拉锥光纤和微泡腔固定在一起，完成传感器制备。
7.如权利要求1-5之一所述仿生光学纤毛触觉传感器在检测微小机械力变化和微小距离变化中的应用；所述微小机械力是指力的大小范围为1μN至2mN，并有微小的作用力距离：30nm至1mm。
8.一种包含如权利要求1-5之一所述仿生光学纤毛触觉传感器的微小机械力变化检测系统，其特征在于，包括：可调谐激光器，数据采集卡，信号线，光电探测器，电脑，力学传感器和/或电动位移台，两根单模光纤；两根光纤一端分别与拉锥光纤的两端连接，两根光纤另一端分别与可调谐激光器和光电探测器连接；可调谐激光器和光电探测器分别通过信号线与采集卡连接，采集卡与电脑连接；其中：
所述可调谐激光器，用于产生并发出激光信号，波长范围为：400至2000μm；
所述单模光纤，用于将所述激光器产生的激光信号传输到单模光纤中；
所述单模光纤与拉锥光纤相连，并将激光信号传入石英微泡腔内，激光信号在微泡腔内形成共振信号，出射的光信号回传到拉锥光纤，经由另一端传出；
所述光电探测器，用于接收所述出射激光信号；
所述力学传感器，用于监测外力的大小和距离变化的大小；
所述数据采集卡，用于产生调制信号，并经由信号线输入到可调谐激光器，控制可调谐激光器产生随信号变化而变化的激光波长；同时，光电探测器将出射光信号转换为电信号，再经由信号线传入数据采集卡；
所述电脑，用于控制数据采集卡，并以光谱的形式显示光电探测器收集到的光信号。
9.根据权利要求8所述的微小机械力变化检测系统，其特征在于，检测系统的工作流程为：
开启可调谐激光器输出光信号，同时采集卡产生调制信号控制激光器扫频；光信号经由拉锥光纤传输耦合到微泡腔内，形成全内反射；石英毛细管作为传感器的感受器，通过电动位移台操控商业化的力传感器，微机械力可以沿着z轴方向或水平方向施加在石英毛细管上，经由毛细管对微机械力的传导甚至放大作用，微机械力进一步作用在石英微泡上，引起石英微泡几何结构变化，导致谐振信号的波长发生变化，最终光信号由拉锥光纤再次耦合输出；光电探测器将输出光信号转换成电信号，通过采集卡收集电信号，实时在电脑显示屏上显示光谱信息，根据谐振波长偏移量判断机械力及力位移大小；采集卡同时产生调制信号，输出给可调谐激光器，来控制激光器的输出波长做周期性变化。
Priority Applications (1)
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| CN202310192858.1A CN116337295A (zh) | 2023-03-03 | 2023-03-03 | 一种仿生光学纤毛触觉传感器及其制备方法和应用 |
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