KR20090034509A - Optical waveguide strain sensors with a bragg reflector on a flexible substrate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 따른 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서에 관한 것으로 상세하게는 플라스틱 기판 상부에 집적된 브래그 격자가 형성된 폴리머 광도파로 스트레인 센서에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a strain sensor attached to a predetermined object and measuring strain values according to deformation of the object. More particularly, the present invention relates to a polymer optical waveguide strain sensor having a Bragg grating integrated on a plastic substrate.
본 발명은, 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flexible substrate Bragg grating optical waveguide strain sensor, and more particularly, to a flexible substrate Bragg which is freely bent and has excellent tensile properties by directly integrating a polymer optical waveguide and a Bragg grating on a relatively flexible plastic substrate. A grating optical waveguide strain sensor.
지금까지 알려진 광센서는 주로 광섬유를 이용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 폴리머 광도파로를 이용하고 있으며 실리콘이나 유리와 같은 딱딱한 기판이 아니라 유연성이 있는 플라스틱 재료를 기판으로 사용하고 있다.Optical sensors known to date have generally used optical fibers, but in the present invention, polymer optical waveguides are used, and flexible plastic materials are used as substrates, not rigid substrates such as silicon or glass.
유연성 기판을 이용한 기술로는 최근 들어 높은 관심을 끌고 있는 플렉서블 디스플레이 기술을 들 수 있다. [C. D. Sheraw, L. Zhou, J. R. Huang, D. J. Gundlach, and T. N. Jackson, Appl. Phys. Lett., 80, 1088 (2002); V. Vorflusev and S. Kumar, Science, 283, 1903 (2002)]Flexible display technology includes a flexible display technology that has recently attracted high interest. [C. D. Sheraw, L. Zhou, J. R. Huang, D. J. Gundlach, and T. N. Jackson, Appl. Phys. Lett., 80, 1088 (2002); V. Vorflusev and S. Kumar, Science, 283, 1903 (2002)]
이 기술은 대면적의 디스플레이를 접어서 보관하고, 또한 필요할 때 펼쳐서 디스플레이로 이용할 수 있는 기술로서, 새로운 개념의 다양한 상품에 응용 될 수 있는 신개념이라 할 수 있다.This technology is a technology that can be folded and stored in a large area display, and also used as a display when it is needed, which is a new concept that can be applied to various products with a new concept.
유연성 기판을 이용한 광소자 기술은 전기 광학 폴리머 광변조기를 제작하는 과정에서 적용된 방법을 들 수 있다. SU-8 포토레지스트가 금 표면과 접착력이 매우 약한 점을 이용하여 제작된 소자를 원하는 단계에서 쉽게 기판으로부터 분리해내는 방법을 이용하고 있다.Optical device technology using a flexible substrate is a method applied in the process of manufacturing an electro-optic polymer optical modulator. The SU-8 photoresist uses a very weak adhesion to the gold surface, so that the device can be easily separated from the substrate at a desired stage.
이는 제작 공정이 까다로운 소자를 실리콘 기판 상에 완전히 제작 완료한 뒤 마지막 단계에서 분리해냄으로써 소자의 공정 조건에 영향을 미치지 않고서 유연성 기판 상에 광소자를 제작할 수 있게 되었다. [W. H. Steier, H.-C. Song, M.-C. Oh, and S.-W. Ahn, "Low-voltage flexible optic polymer modulators," US patent, US2005/0249445 A1; H.-C. Song, M.-C. Oh, S.-W. Ahn, and W.-H. Steier, "Flexible low-voltage electro-optic polymer modulators," Applied Physics Letters, Vol. 82, pp. 4432-4434, June 2003]This makes it possible to fabricate an optical device on a flexible substrate without affecting the process conditions of the device by completely fabricating a device having a difficult manufacturing process on a silicon substrate and then separating it in the final step. [W. H. Steier, H.-C. Song, M.-C. Oh, and S.-W. Ahn, "Low-voltage flexible optic polymer modulators," US patent, US 2005/0249445 A1; H.-C. Song, M.-C. Oh, S.-W. Ahn, and W.-H. Steier, "Flexible low-voltage electro-optic polymer modulators," Applied Physics Letters, Vol. 82, pp. 4432-4434, June 2003]
그러나 상기의 특허 기술은 전기광학 변조기를 유연성 기판 상에 제작하기 위한 방법을 제안하고 있으며 후술할 본 실시예와 같이, 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서와는 실질적으로 연관성이 없다.However, the above patent technique proposes a method for fabricating an electro-optic modulator on a flexible substrate and, as in the present embodiment described below, is substantially unrelated to the Bragg grating optical waveguide strain sensor.
브래그 격자형 광소자를 이용한 스트레인 센서는 대부분 실리카 재질의 광섬 유를 이용하여 제작되어 왔다.Strain sensors using Bragg grating-type optical devices have been mostly manufactured using optical fiber made of silica.
이는 광섬유 제작 공정의 편리성으로 인해 광섬유의 가격이 매우 저렴하고 브래그 격자를 형성하는 공정도 UV 펄스 레이저를 이용하여 간섭패턴을 조사하는 방식으로 비교적 간단하기 때문이다.This is because, due to the convenience of the optical fiber manufacturing process, the cost of the optical fiber is very low and the process of forming the Bragg grating is relatively simple by irradiating an interference pattern using a UV pulse laser.
광대역 광원에서 나오는 빛을 브래그 격자 센서에 조사하고 이로부터 반사되어 나오는 빛의 파장을 검출하여 광섬유 센서에 인가되는 스트레인을 측정하는 방식에 관한 특허가 다수 등록되어 있다. [H. Tsuda, "Optical fiber strain sensor device and strain detection system," US patent 7,002,672 B2, Feb. 2006; B. Moslehi, R. J. Black, H. J. Shaw, and K. Toyama, "Multiplexable fiber-optic strain sensor system with temperature compensation capability," US patent 6,895,132 B2, May 2005; L. K. Wang, Y.-J. Chiang, and C.-C. Yang, "Dual fiber Bragg grating strain sensor system," US patent 6,829,397, Dec. 2004]A number of patents have been registered for a method of measuring the strain applied to an optical fiber sensor by irradiating the light emitted from the broadband light source to the Bragg grating sensor and detecting the wavelength of the light reflected therefrom. [H. Tsuda, "Optical fiber strain sensor device and strain detection system," US patent 7,002,672 B2, Feb. 2006; B. Moslehi, R. J. Black, H. J. Shaw, and K. Toyama, "Multiplexable fiber-optic strain sensor system with temperature compensation capability," US patent 6,895,132 B2, May 2005; L. K. Wang, Y.-J. Chiang, and C.-C. Yang, "Dual fiber Bragg grating strain sensor system," US patent 6,829,397, Dec. 2004]
그러나, 기존의 실리카 광섬유는 재료의 인장성이 한계가 있기 때문에 스트레인이 크게 발생하게 되면 광섬유 센서의 인장이 실제 물체의 인장을 따라가지 못하고 접착 부위가 미끄러지는 문제가 발생한다.However, the conventional silica optical fiber has a limit in the tensile strength of the material, so if a large strain is generated, the tension of the optical fiber sensor does not follow the tension of the actual object, causing a problem of slipping of the adhesive site.
한편, 플라스틱 광센서의 경우 인장 범위가 매우 넓기 때문에 위와 같은 문제를 해결할 수 있다.On the other hand, the plastic optical sensor can solve the above problems because the tension range is very wide.
브래그 격자 센서는 주기가 다른 격자를 서로 연결하여 하나의 광원을 이용하여 여러 지점의 스트레인을 동시에 측정하는 형태로 제작 가능하다. 각각의 브래그 격자 센서들은 특정한 파장의 빛만을 반사시키게 되므로 출력부에서 특정 파장 의 변화를 측정하면 특정 지점에서 발생하는 스트레인을 독립적으로 유출해 낼 수 있다. [I. Bennion, J. Williams, C. Groves-Kirkby, and L. Zhang, "Strain sensing," US patent 6,816,638 B1]The Bragg grating sensor can be manufactured in the form of measuring the strains of several points at the same time using one light source by connecting gratings having different periods to each other. Each Bragg grating sensor reflects only light of a specific wavelength, so measuring the change of a specific wavelength at the output can independently drain strain from a specific point. [I. Bennion, J. Williams, C. Groves-Kirkby, and L. Zhang, "Strain sensing," US patent 6,816,638 B1]
폴리머 광도파로 소자는 온도에 따라 센서의 특성이 변하게 되는 온도 의존성을 가지는 문제가 있다. 이러한 온도 의존성을 극복하기 위하여 별도의 온도 측정 센서를 이용하여 온도 변화에 따른 특성 변화를 보완 해주는 형태가 널리 사용되고 있다.The polymer optical waveguide device has a problem in that it has a temperature dependency in which the characteristics of the sensor change with temperature. In order to overcome this temperature dependency, a form that supplements the characteristic change according to the temperature change by using a separate temperature measuring sensor is widely used.
그러나 이 경우에도 센서 소자의 온도 민감도가 너무 크게 되면 어려 모로 어려움이 따른다. 이러한 온도 의존성을 줄이기 위한 목적으로 폴리머 재료의 열팽창 특성과 광학적 굴절률 변화 특성을 서로 상쇄시키는 연구가 발표된 바 있다. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001]However, even in this case, if the temperature sensitivity of the sensor element is too large, it is difficult. In order to reduce this temperature dependency, studies have been published that cancel out the thermal expansion and optical refractive index of polymer materials. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001]
상기 결과는 폴리머 재료로 만들어진 arrayed waveguide device의 온도 의존성이 줄어드는 것을 보이고 있으나 브래그 격자 소자에 관한 결과는 알려진 바가 없다.The results show reduced temperature dependence of arrayed waveguide devices made of polymeric materials, but the results for Bragg grating devices are unknown.
상술한 바와 같이, 기존에 널리 사용되거나 연구되고 있는 스트레인 센서의 경우, 그 재료의 특성상 자유롭게 구부러지기 힘들 정도로 인장성이 약하기 때문에 사용에 한계가 있으며, 또한 종래의 스트레인 센서의 경우, 10,000 με 이상의 큰 인장 수치도 측정은 실질적으로 불가능할 뿐만 아니라 다축 방향의 스트레인 값을 측정하기가 다소 번거롭거나 힘든 문제점이 있다.As described above, in the case of the strain sensor, which is widely used or researched in the past, the use of the strain sensor is weak because its tensile strength is hard to bend freely due to the characteristics of the material, and in the case of the conventional strain sensor, the strain sensor is larger than 10,000 με. Not only the measurement of the tensile value is practically impossible, but it is also a little cumbersome or difficult to measure the strain value in the multi-axis direction.
더욱이 종래의 스트레인 센서의 경우에는, 소자의 온도 의존성이 다소 높아서 역시 사용에 한계가 따르는 문제점이 있다.Moreover, in the case of the conventional strain sensor, there is a problem that the temperature dependence of the device is rather high, which also limits its use.
본 발명의 목적은, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a flexible substrate Bragg grating optical waveguide strain sensor that is freely bent and excellent in tensile strength by fabricating the polymer optical waveguide and Bragg grating directly on a relatively flexible plastic substrate, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은, 플라스틱 기판 상에 소자를 제공하여 온도에 따른 부피 팽창을 자유롭게 만들어 주어 열광학 효과를 상쇄하도록 함으로써 폴리머 브래그 격자 소자의 온도 의존성을 줄일 수 있는 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a device on a plastic substrate to freely increase the volumetric expansion with temperature to cancel the thermo-optic effect, thereby reducing the temperature dependency of the polymer Bragg grating device, the flexible substrate Bragg grating optical waveguide strain sensor And to provide a method for producing the same.
본 발명의 또 다른 목적은, 기존의 실리카 광섬유 브래그 격자가 측정하기 어려운 10,000με이상의 큰 인장 수치도 측정이 가능한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a flexible substrate Bragg grating optical waveguide strain sensor capable of measuring a large tensile value of 10,000 με or more, which is difficult to measure by a conventional silica fiber Bragg grating, and a method of measuring the same.
본 발명의 또 다른 목적은, 다축 방향의 스트레인 값을 보다 정확하고 손쉽게 측정할 수 있는 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 측정 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a flexible substrate Bragg grating optical waveguide strain sensor and a method for measuring the strain value in the multi-axis direction more accurately and easily.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서로, 플라스틱으로 된 유연성(flexible) 기판; 상기 유연성 기판 상부에 형성된 폴리머 광도파로; 및 상기 광도파로 상에 형성된 하나 이상의 폴리머 브래그 격자;를 포함하는 특징을 갖는다. The flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention is a strain sensor attached to a predetermined object to measure the strain value generated by deformation of the object, a flexible substrate made of plastic; A polymer optical waveguide formed on the flexible substrate; And at least one polymer Bragg grating formed on the optical waveguide.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 서로 다른 각도 및 서로 다른 격자 주기를 갖는 둘 이상의 상기 브래그 격자가 단일한 광도파로로 연결되어 있는 것이 바람직하며, 서로 다른 격자 주기를 가지며 상대 각이 90도 및 45도인 3개의 브래그 격자로 구성된 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 유연성 기판의 두께는 80 내지 200㎛인 것이 바람직하다. In the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention, it is preferable that two or more Bragg gratings having different angles and different grating periods are connected to a single optical waveguide, each having a different grating period and having a relative angle of 90 degrees and More preferably, it consists of three Bragg gratings of 45 degrees. In addition, the thickness of the flexible substrate is preferably 80 to 200㎛.
상기 폴리머 광도파로의 폴리머는 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient)를 가지며, 상기 유연성 기판은 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 가져 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 낮은 온도 의존성을 갖는 특징이 있다.The polymer of the polymer optical waveguide has a negative thermo-optic coefficient, and the flexible substrate has a positive thermal expansion coefficient so that the flexible substrate optical waveguide strain sensor has a low temperature dependency. There is this.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값을 측정하는 스트레인 측정 방법에 있어서, 본 발명의 광도파로를 이용한 스트레인 측정 방법은 (a) 광대역 광을 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에 입사시키는 단계; (b) 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에서 출력된 출력광을 검출하여 상기 출력광의 파장 별 투과강도를 얻는 단계; 및 (c) 상기 파장별 투과강도를 기반으로 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 브래그 격자에 의해 반사된 광의 중심파장이 이동된 값을 측정하여 상기 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값 및 방향정보를 얻는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다. In the strain measuring method of attaching the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention to a predetermined object and measuring the strain value generated by the deformation of the object, the strain measuring method using the optical waveguide of the present invention (a) broadband optical Incident to a core of the flexible substrate optical waveguide strain sensor; (b) detecting the output light output from the core of the flexible substrate optical waveguide strain sensor to obtain a transmission intensity for each wavelength of the output light; And (c) measuring a shifted value of the center wavelength of light reflected by the Bragg grating of the flexible substrate optical waveguide strain sensor based on the transmission intensity for each wavelength to obtain strain values and direction information generated by deformation of the object. There is a feature that is performed, including;
상기 스트레인 측정 방법에 의해 상기 물체의 10,000με이상의 인장이 측정 될 수 있는 특징이 있으며, 상기 스트레인 측정 방법은 상기 (b) 단계의 단일한 파장별 투과강도에 의해 상기 (c) 단계에서 3축 방향의 스트레인 정보를 얻을 수 있는 특징이 있다. Tensile of 10,000με or more of the object may be measured by the strain measuring method, and the strain measuring method may be measured in the three-axis direction in the step (c) by a single wavelength-specific transmission intensity of the step (b). There is a characteristic that can obtain strain information of.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 제조하기 위한 제조 방법은 (i) Si 기판 상부에 Au를 함유하는 막을 형성시키는 단계; (ii) 상기 Au를 함유하는 막의 상부 및 Si 기판 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계; (iii) 상기 SU-8 폴리머층 상부에 플라스틱 기판층을 형성시키는 단계; (iv) 상기 플라스틱 기판층 상부에 폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 형성시키는 단계; 및 (v) 상기(ii) 단계의 상기 Au를 함유하는 막 상부로 형성된 SU-8 폴리머층까지 절단하여 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 얻는 단계;를 포함하여 제조되는 특징이 있다. The manufacturing method for manufacturing the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention comprises the steps of: (i) forming a film containing Au on the Si substrate; (ii) forming a SU-8 polymer layer over the Au-containing film and over the Si substrate; (iii) forming a plastic substrate layer on top of the SU-8 polymer layer; (iv) forming a polymer optical waveguide and a Bragg grating on the plastic substrate layer; And (v) cutting up to the SU-8 polymer layer formed on the Au-containing film of step (ii) to obtain a flexible substrate optical waveguide strain sensor.
상기 (iii) 단계 이후, 상기 플라스틱 기판층 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 (iii) 단계의 플라스틱 기판층의 두께는 80 내지 200 ㎛인 것이 바람직하다. After the step (iii), it is preferable to further include forming a SU-8 polymer layer on the plastic substrate layer, the thickness of the plastic substrate layer of the step (iii) is preferably 80 to 200 ㎛. .
본 발명에 따르면, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 효과가 있다.According to the present invention, by directly integrating the polymer optical waveguide and Bragg grating on a relatively flexible plastic substrate, there is an effect of free bending and excellent tensile properties.
또한 기존의 실리카 광섬유 브래그 격자가 측정하기 어려운 10,000 με이상의 큰 인장 수치도 측정이 가능한 효과가 있을 뿐만 아니라 다축 방향의 스트레인 값을 보다 정확하고 손쉽게 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible not only to measure a large tensile value of 10,000 με or more, which is difficult to measure by conventional silica fiber Bragg gratings, but also to measure strain values in the multi-axis direction more accurately and easily.
그리고 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로 및 폴리머 브래그 격자를 제공하여 플라스틱 기판의 열팽창 계수와 광도파로의 열광학 계수의 상쇄효과에 의해 낮은 온도의존성을 갖는 장점이 있다. In addition, by providing a polymer optical waveguide and a polymer Bragg grating on the plastic substrate, there is an advantage of having a low temperature dependency by the effect of offsetting the thermal expansion coefficient of the plastic substrate and the thermo-optic coefficient of the optical waveguide.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서, 상기 스트레인 센서의 제조방법 및 상기 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a flexible substrate optical waveguide strain sensor, a method of manufacturing the strain sensor, and a strain measuring method using the strain sensor will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided by way of example so that the spirit of the invention to those skilled in the art can fully convey. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Also, like reference numerals denote like elements throughout the specification.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the gist of the present invention in the following description and the accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 기판 상에 제작된 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)에 대한 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)와 광신호의 입출력을 위한 광섬유(210)를 부착한 소자를 스트레인을 측정하고자 하는 물체의 표면(220)에 부착한 모습을 나타낸 도면이다.1 is a schematic perspective view of a flexible substrate optical
도 1에서 알 수 있듯이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 플라스틱 기판인 유연성 기판(110) 상부로 크래드(120)와 코어(130)로 구성된 광도파로가 형성되어 있으며, 상기 광도파로 상에 브래그 격자(140)가 형성되어 있는 구조를 갖는다. 이때, 상기 주기적인 격자 구조를 갖는 브래그 격자(140)는 브래그 반사조건을 만족시키는 특정 파장을 반사시키게 되는데, 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 도 2와 같이 소정의 물체에 부착될 경우, 물체의 변형에 의해 상기 브래그 격자의 격자 상수가 변화하게 되어 반사되는 특정 파장이 변화하게 된다. 따라서 브래그 격자에 의해 반사되는 파장의 변화를 측정함으로써, 물체의 변형을 측정할 수 있게 되는 것이다. 따라서 브래그 격자(4)가 형성된 부분이 실질적인 스트레인을 측정하는 센싱 표면(150, sensing surface)이 되는 것이다. As can be seen in Figure 1 of the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention is formed on the optical waveguide consisting of the clad 120 and the
또한, 외부에서 상기 센싱 표면(150)에 다른 물질을 접촉시키게 되면 브래그 격자(140)가 형성된 광도파로의 유효 굴절률 변화를 일으키게 되어 브래그 반사 파장의 변화를 유발하게 된다. 이러한 특성으로 말미암아 특정 물질의 존재 여부나 함량을 측정하기 위한 센서로서도 이용될 수 있다.In addition, contacting the
센서의 인장성 및 유연성을 높이며, 물리적인 내구성 및 취급의 용이함을 위해 상기 유연성 기판(110)의 두께는 80 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. In order to increase the tension and flexibility of the sensor, and to increase physical durability and ease of handling, the thickness of the
상기와 같이 유연성 플라스틱으로 구성된 얇은 기판, 폴리며 광도파 및 폴리머 브래그 격자로 구성된 본 발명의 특징에 의해 외부에서 힘을 가하면 쉽게 구부러지거나 늘어나는 특성을 가지기에 파손 발생 및 물체에 부착한 부착면의 adhesion을 방지 할 수 있는 높은 인장성을 가지게 되며, 상기 유연성 기판(110)의 인장성은 그대로 광도파로 및 브래그 격자(140)의 인장성으로 전달되어 브래그 격자(140)의 주기를 큰 값으로 변화시킬 수 있게 된다. 이에 의해 종래의 기술로는 측정하기 어려운 10,000με이상의 큰 인장 수치도 측정 가능한 센서를 구현할 수 있게 되는 것이다.As described above, a thin substrate, a poly-waveguide, and a polymer Bragg grating made of a flexible plastic as described above may be easily bent or stretched when an external force is applied, thereby causing breakage and adhesion of an adhesive surface attached to an object. The tensile strength of the
한편, 스트레인 측정용 광센서는 구조물의 안전 진단, LNG 선박의 탱크 균열 상태 모니터링, 자동차 비행기 동체에 작용하는 스트레인 측정 등을 위하여 사용되고 있지만, 통상적으로 사용되는 광섬유는 실리카 재질로 이루어져 있으므로 인장이나 수축되는 정도가 매우 작았다. 하지만 본 발명의 경우, 유연성 기판(110)이 적용되고 있기 때문에 어떠한 환경 하에서도 쉽게 적용될 수 있는 이점이 있는 것이다. 즉 인장성이 상대적으로 우수하기 때문에 다양한 사용 환경, 즉 다양한 물체의 표면에 적용이 가능하다는 이점이 있다.On the other hand, the strain measuring optical sensor is used for the safety diagnosis of the structure, the tank crack condition monitoring of LNG ships, the strain measurement on the fuselage of the automobile plane, etc. The degree was very small. However, in the present invention, since the
도 2에서 알 수 있듯이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100) 는, 스트레인을 측정하고자 하는 특정한 물체의 표면(220)에 부착하여 사용될 수 있다. 이때, 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)에서 측정되는 스트레인 정보는 물체의 스트레인중 도 1에서 설명한 센싱 표면(150)이 위치한 곳의 스트레인 값이며, 브래그 격자가 형성된 방향(도 2의 화살표방향)의 스트레인 값이 된다. As can be seen in Figure 2, the flexible substrate optical
이처럼 스트레인 센서(100)가 물체의 표면(220)에 부착된 후에는 광대역 광원의 입출력을 위한 광섬유(210)가 스트레인 센서(100)에 연결되어 물체 표면의 변형이 일어나게 되는 것을 측정할 수 있다.As such, after the
또한 스트레인 센서(100)가 유연성 기판(110) 다시 말해, 플라스틱 기판 위에 제작됨으로써 기존의 실리카 광섬유 재질보다 손쉽게 금속이나 플라스틱 표면에 부착이 가능하다는 이점이 있다. 또한 부착된 물체의 인장이나 수축이 10,000 με 이상 되더라도 표면과 미끄러짐 없이 변화하는 정도를 정확히 측정할 수 있는 장점을 가진다.In addition, since the
도 3은 물체의 표면에 부착된 스트레인 센서(100)의 출력 스펙트럼으로서 물체의 수축이나 팽창에 따라 출력된 광의 파장에 따른 강도(출력광의 스펙트럼)가 변화하는 모습을 도시한 그래프이다.3 is an output spectrum of the
도 3에 도시된 바와 같이, 수축과 팽창이 가능한 재료의 표면에 부착된 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)는, 외부에서 넓은 파장 대역을 가지는 광원(broadband light source)을 코어(130)에 입력 시켰을 때, 브래그 반사 파장 주변의 광신호가 감쇠되고 나머지 파장은 모두 투과 되어 도 3과 같은 출력광의 스펙트럼 특성을 보이게 된다.As shown in FIG. 3, the flexible substrate optical
도 3에 대해 부연하면, 물체의 변형을 측정하기 전 투과 스펙트럼(reference 투과 스펙트럼)이 도 3의 "reference"와 같은 특성을 보일 때 외부에서 힘이 작용하여 브래그 격자(100) 간격을 수축시키게 되면(물체의 변형에 의해 물체 표면에 부착된 스트레인 센서에 수축 응력이 작용하게 되면) 반사되는 광의 중심 파장이 짧아지게 되어 "shrink"과 같은 투과 스펙트럼을 보이게 된다.Referring to FIG. 3, when a transmission spectrum (reference transmission spectrum) exhibits the same characteristics as “reference” of FIG. 3 before the deformation of an object, when an external force acts to shrink the Bragg grating 100 interval. (When the shrinkage stress is applied to the strain sensor attached to the object surface by the deformation of the object), the center wavelength of the reflected light is shortened to show a transmission spectrum such as "shrink".
반면 외부에서 인장력이 작용하게 되면(물체의 변형에 의해 물체 표면에 부착된 스트레인 센서에 인장 응력이 작용하게 되면) 반사되는 광의 중심 파장이 길어지게 되며 투과 스펙트럼은 "elongation"과 같이 나타난다. 이러한 투과 스펙트럼의 변화를 외부에서 광필터나 AWG 등을 이용하여 전기적 신호로 바꾸어서 검출하면 측정하고자 하는 수축이나 인장 정도를 측정할 수 있게 되는 것이다.On the other hand, when tensile force is applied externally (when tensile stress is applied to the strain sensor attached to the object surface by deformation of the object), the central wavelength of the reflected light becomes long and the transmission spectrum is shown as "elongation". When the change in the transmission spectrum is detected by converting it into an electrical signal using an optical filter or an AWG from the outside, the degree of shrinkage or tension to be measured can be measured.
한편, 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)의 장점으로서는, 다양한 형태의 센싱 표면(150)을 하나의 플라스틱 기판 위에 집적화하여 소형의 저가격 센서를 구현 가능한 점을 들 수 있다.On the other hand, as an advantage of the flexible substrate optical
즉, 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서에서 격자의 주기가 다른 다수의 센싱 표면을 다양한 상대각을 갖도록 집적하고 하나의 광도파로로 연결하여 단일한 플라스틱 유연성 기판 상에 제작하면 여러 지점에서 발생하는 스트레인을 하나의 광원으로써 동시에 측정 가능하다. 특히 스트레인 값을 측정하는데 있어서 서로 다른 각도에서 인가되는 스트레인을 한꺼번에 측정 하는 것은 매우 유용한 정보를 제공한다. In other words, in the flexible substrate optical waveguide strain sensor according to the present embodiment, when a plurality of sensing surfaces having different grating periods are integrated to have various relative angles and connected to one optical waveguide, they are manufactured on a single plastic flexible substrate at various points. The generated strain can be measured simultaneously with one light source. Especially when measuring strain values, it is very useful to measure strain applied at different angles at once.
도 4는 도시된 바와 같이 주기가 서로 다른(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4) 다수의 브 래그 격자로 구성된 다수의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)을 하나의 유연성 기판 상에 서로 다른 각도로 정렬하여 구현한 본 발명의 다른 실시예이다. 본 발명의 도 4와 같은 구성에 의해 3축 스트레인이 측정 및 물체의 다양한 위치에서 스트레인 측정이 가능해지는 장점을 갖게 된다. 4 shows a plurality of sensing surfaces 151, 152, 153, and 154 composed of a plurality of Bragg gratings having different periods (Λ1, Λ2, Λ3, Λ4), as shown, with different angles on one flexible substrate. Another embodiment of the present invention implemented by sorting. The configuration as shown in Figure 4 of the present invention has the advantage that the three-axis strain can be measured and measured at various positions of the object.
도 4와 같이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(400)는 4개의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)을 가지며, 단일한 센싱 표면(151)을 기준으로 각각 0 도, 45 도, 90 도 각도를 갖도록 배치되어 있으며, 각각 서로 다른 주기를 갖도록 함으로써 한꺼번에 여러 각도로 인가되는 스트레인 값을 동시에 측정 가능한 구조이다. As shown in FIG. 4, the flexible substrate optical
도 1을 기반으로 상술한 바와 같이 센싱 표면은 광도파로 상에 브래그 격자가 형성된 부분을 의미하며, 센싱 표면 자체의 각도는 브래그 격자가 형성된 방향이 0도가 된다. 또한 도 4에서 알 수 있듯이 브래그 격자를 구성하는 격자는 상기 광도파로 상에 광의 진행 방향에 수직으로 형성되는 것이 통상적이므로, 브래그 격자가 형성된 방향과 광도파로 코어의 형성방향은 동일하게 된다. As described above with reference to FIG. 1, the sensing surface refers to a portion where a Bragg grating is formed on an optical waveguide, and the angle of the sensing surface itself is 0 degrees in a direction where the Bragg grating is formed. 4, the grating constituting the Bragg grating is generally formed perpendicular to the traveling direction of the light on the optical waveguide, so that the direction in which the Bragg grating is formed and the direction in which the optical waveguide core is formed are the same.
상기 4개의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)은 단일한 광도파로로 연결되어 단일한 유연성 기판상에 집적되어 있으므로, 광대역 광을 상기 스트레인 센서(400)의 코어에 입력시키면 3축 스트레인 정보를 단일한 측정을 통해 얻을 수 있으며, 물체 표면의 다양한 위치에서 스트레인 정보를 얻을 수 있으며, 측정을 반복하게 되면 실시간으로 변화하는 스트레인 정보를 in-situ로 얻을 수 있게 된다. Since the four
도 4를 기반으로 상술한 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(400) 의 핵심특징은 다수의 센싱 표면을 단일한 센서로 집적한 것이며, 센싱 표면이 형성되는 위치를 조절하여 측정하고자 하는 물체 표면의 다양한 위치에서 발생하는 스트레인 값을 동시에 측정한다는 것이며, 센싱 표면의 각도를 조절하여 측정된 스트레인 값의 방향정보(벡터)를 얻을 수 있다는 것이며, 센싱 표면을 구성하는 브래그 격자가 서로 다른 격자상수를 갖게 하여 단일한 측정에 의해 신뢰성 높은 개별 센싱 표면의 측정 결과를 동시에 얻을 수 있다는 것이다. The key feature of the flexible substrate optical
또한 도 4의 일 실시예와 같이 주기가 서로 다른 브래그 격자를 갖는 센싱 표면들을 서로 간에 0 도, 45 도, 90 도 각도를 가지도록 배치를 하면 스트레인 센싱에서 매우 유용한 3축 방향의 스트레인 정보가 동시에 얻어지며, 다수의 센싱 표면이 단일한 센서에 집적되어 있으므로 센싱 표면끼리의 상대적인 각도를 정확하게 처음부터 설정할 수 있는 장점도 지니게 된다.In addition, as shown in FIG. 4, when the sensing surfaces having Bragg gratings having different periods are arranged to have an angle of 0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees to each other, strain information in the 3-axis direction, which is very useful in strain sensing, is simultaneously displayed. In addition, since multiple sensing surfaces are integrated in a single sensor, the relative angle between the sensing surfaces can be set precisely from the beginning.
광센서를 이용하여 스트레인이나 압력과 같은 특정한 물리량을 센싱하고자 할 때 센서의 특성이 주변 온도에 따라 변화하는 것은 센서의 사용을 매우 복잡하게 만든다. 통상적으로 온도에 의한 광센서의 특성 변화를 억제하기 위해 외부 장비를 사용하여 광센서의 동작 온도를 정확하게 고정시켜 준다거나 외부에서 온도를 다른 센서로 측정하여 온도에 따른 특성을 보정해 주는 방법을 이용한다.When using a light sensor to sense certain physical quantities, such as strain or pressure, changing the characteristics of the sensor with ambient temperature complicates the use of the sensor. In general, in order to suppress the change in the characteristics of the optical sensor due to temperature, the external sensor is used to accurately fix the operating temperature of the optical sensor, or the temperature is measured by another sensor to correct the characteristic according to the temperature. .
그러나 센서의 온도 의존성이 너무 크게 되면 상기와 같은 온도 보정에도 어려움이 있다. However, if the temperature dependency of the sensor is too large, there is a difficulty in the temperature correction as described above.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 이러한 온도 의존성을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 폴리머 광도파로 재료는 온도 상승에 따라 광학적 굴 절률이 감소하는 특성을 가지고 있다. 이는 온도에 따라 굴절률이 증가하는 실리카 재료와는 반대되는 특성이다. 이와 함께 플라스틱 기판은 온도 증가에 따라 부피 또는 길이가 팽창하는 특성을 가진다. 이로 인해 플라스틱 기판위에 제작된 광소자는 온도가 증가 할 때 나타나는 굴절률의 감소를 길이의 증가로 상쇄시키는 특성을 가진다. 즉, 온도가 증가 하더라고 광학적 굴절률과 실제 길이의 곱으로 표현되는 광학적 길이(optical pathlength)의 변화는 거의 미미하게 되는 것이다. The flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention has an advantage of reducing such temperature dependency. Polymer optical waveguide materials have the property of decreasing optical refractive index with increasing temperature. This is in contrast to silica materials, where the refractive index increases with temperature. In addition, the plastic substrate has a property of expanding in volume or length with increasing temperature. As a result, the optical device fabricated on the plastic substrate has a characteristic of canceling the decrease in the refractive index that occurs when the temperature increases with the increase in the length. In other words, as the temperature increases, the change in the optical path length, expressed as the product of the optical refractive index and the actual length, is almost negligible.
이러한 특성은 플라스틱 기판을 이용한 arrayed waveguide grating (AWG) 소자에서 구현하여 보고된 바가 있다. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001].This property has been reported to be implemented in an arrayed waveguide grating (AWG) device using a plastic substrate. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001].
그러나 브래그 격자가 형성된 소자에서 이와 같은 특성을 이용하여 센서의 온도 의존성을 줄이는 목적으로 적용하는 것은 본 발명에서 최초로 제안된 것이라 할 수 있다. 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 플라스틱 유연성기판 상에 폴리머 광도파로 및 폴리머 브래그 격자를 포함하여 구성되어, 폴리머 광도파로의 폴리머의 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient) 및 유연성기판의 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 이용하여 센서가 낮은 온도 의존성을 갖도록 한 것이다. 도 5는 브래그 격자 광도파로 소자의 온도 의존성을 보이고 있는데, 기판으로 사용된 재료의 종류에 따라 온도 의존성이 크게 다르게 나타남을 확인 할 수 있다. 실리콘 기판상에 제작된 브래그 격자 소자는 폴리머 자체의 열광학 효과에 의해 소자의 온도 의존성이 -0.241 nm/℃ 정도로 크게 나타나는 반면, 본 발명의 폴리머 기판(NOA/SU-8)을 이용하면 온도 의존성을 -0.011 nm/℃ 까지 줄일 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 따라서 상기 폴리머 광도파로의 폴리머는 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient)를 가지며, 상기 유연성 기판은 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 가지는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 기존 실리콘 기판상에 제작된 소자에 비하여 10분지 1 이하의 온도 의존성을 갖게 된다.However, the application of the Bragg grating to the purpose of reducing the temperature dependency of the sensor by using such a characteristic can be said to be the first proposed in the present invention. The flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention comprises a polymer optical waveguide and a polymer Bragg grating on a plastic flexible substrate, so that the negative thermo-optic coefficient of the polymer of the polymer optical waveguide and the amount of the flexible substrate The thermal expansion coefficient of makes the sensor low temperature dependent. Figure 5 shows the temperature dependence of the Bragg grating optical waveguide device, it can be seen that the temperature dependence is significantly different depending on the type of material used as the substrate. The Bragg grating device fabricated on a silicon substrate has a large temperature dependence of about -0.241 nm / ° C due to the thermo-optic effect of the polymer itself, whereas the temperature dependence of the Bragg grating device using the polymer substrate of the present invention (NOA / SU-8) It was confirmed experimentally that can be reduced to -0.011 nm / ℃. Therefore, the polymer of the polymer optical waveguide has a negative thermo-optic coefficient, the flexible substrate has a positive thermal expansion coefficient of the present invention, the flexible substrate optical waveguide strain sensor is a conventional silicon substrate Compared with the device fabricated on the substrate, temperature dependence of 10 branch 1 or less is obtained.
도 6는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 도시한 일 순서도이다. FIG. 6 is a flowchart illustrating a strain measuring method using a flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention.
본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 브래그 격자에 의한 반사광의 이동에 의해 스트레인을 측정하는 것이므로, 광대역 광원을 사용하여 스트레인을 측정하는 것이 바람직하다. 도 6의 순서도에 도시한 바와 같이 본 발명의 스트레인 측정 방법은 (a) 광대역 광을 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에 입사시키는 단계(s10); (b) 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에서 출력된 출력광을 검출(s20)하여 상기 출력광의 파장별 투과강도를 얻는 단계(s30); 및 (c) 상기 파장별 투과강도를 기반으로 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 브래그 격자에 의해 반사된 광의 중심파장이 이동된 값을 측정하여 상기 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값 및 방향정보를 얻는 단계(s50);를 포함하여 수행되는 특징이 있다. Since the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention measures strain by the movement of reflected light by the Bragg grating, it is preferable to measure the strain using a broadband light source. As shown in the flowchart of FIG. 6, the strain measuring method of the present invention includes the steps of (a) injecting broadband light into the core of the flexible substrate optical waveguide strain sensor (s10); (b) detecting output light output from the core of the flexible substrate optical waveguide strain sensor (s20) to obtain transmission intensity for each wavelength of the output light (s30); And (c) measuring a shifted value of the center wavelength of light reflected by the Bragg grating of the flexible substrate optical waveguide strain sensor based on the transmission intensity for each wavelength to obtain strain values and direction information generated by deformation of the object. Obtaining step (s50); there is a feature that is performed.
또한 상기 단계(s10 내지 s40)를 반복 수행(s50)하여 실시간으로 변화하는 스트레인 값을 in-situ로 측정할 수 있으며, 도 1과 같이 단일한 센싱 표면을 사용 한 경우라 할지라도 이미 알고 있는 브래그 격자의 형성 방향에 의해 스트레인의 방향정보를 얻을 수 있으며, 도 4와 같이 다수의 센싱 표면을 사용한 경우, 단일한 단계(s10 내지 s40)의 수행에 의해 3축 방향의 스트레인 값을 알 수 있게 된다. In addition, the steps (s10 to s40) may be repeatedly performed (s50) to measure the strain value changing in real time in-situ, even in the case of using a single sensing surface as shown in FIG. The direction information of the strain can be obtained according to the formation direction of the grating, and when a plurality of sensing surfaces are used as shown in FIG. .
도 7은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조과정을 설명하기 위한 일 공정도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 제조하기 위한 제조 방법은 (i) Si 기판 상부에 Au를 함유하는 막을 형성시키는 단계; (ii) 상기 Au를 함유하는 막의 상부 및 Si 기판 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계; (iii) 상기 SU-8 폴리머층 상부에 플라스틱 기판층을 형성시키는 단계; (iv) 상기 플라스틱 기판층 상부에 폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 형성시키는 단계; 및 (v) 상기(ii) 단계의 상기 Au를 함유하는 막 상부로 형성된 SU-8 폴리머층까지 절단(dicing)하여 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 얻는 단계;를 포함하여 제조(post lift-off 공정)되는 특징이 있다. 상기의 제조방법에서 본 발명의 제조방법상의 특징은 SU-8 폴리머와 Au간의 비접착성을 이용하여 플라스틱 기판 상부에 광도파로 및 브래그 격자를 집적, 스트레인 센서를 제조하는 것이다.7 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention. As shown in FIG. 7, the manufacturing method for manufacturing the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention includes (i) forming a film containing Au on the Si substrate; (ii) forming a SU-8 polymer layer over the Au-containing film and over the Si substrate; (iii) forming a plastic substrate layer on top of the SU-8 polymer layer; (iv) forming a polymer optical waveguide and a Bragg grating on the plastic substrate layer; And (v) cutting the SU-8 polymer layer formed on the Au-containing film of step (ii) to obtain a flexible substrate optical waveguide strain sensor. ) Features. In the above manufacturing method, a feature of the manufacturing method of the present invention is to fabricate a strain sensor by integrating an optical waveguide and Bragg grating on a plastic substrate by using a non-adhesion between SU-8 polymer and Au.
상세하게는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 얇은 플라스틱 기판 상에 곧바로 소자를 집적하여 제작될 수 있으나, 브래그 격자 광도파로와 같은 미세한 구조의 제작을 위해서는 본 실시예에서 제안하는 post lift-off 공정이 효과적이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Post lift-off 공정은 SU-8 폴리머의 특성 인 Au 표면과의 비접착성을 이용하여 소자를 제작하는 방법이다. 소자를 제작하는 공정 중에는 SU-8 폴리머가 Si 기판 표면에 결합되어 있다가 소자 제작이 끝난 후에는 Si 기판과 SU-8 폴리머가 접착된 부분을 잘라내어 Au 표면 위에 남아있던 폴리머 박막을 lift-off 시켜서 유연성 기판 광소자를 완성하게 된다.In detail, the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention can be fabricated by directly integrating devices on a thin plastic substrate, but for the fabrication of a fine structure such as Bragg grating optical waveguide, the post lift-off proposed in this embodiment is proposed. The process is effective. As shown in FIG. 5, the post lift-off process is a method of fabricating a device using a non-adhesion property of the Au surface, which is a characteristic of the SU-8 polymer. During the device fabrication process, the SU-8 polymer is bonded to the surface of the Si substrate. After the device fabrication is complete, the Si substrate is bonded to the SU-8 polymer, and the polymer thin film remaining on the Au surface is lifted off. The flexible substrate optical element is completed.
하기의 설명에서 금속막의 증착, 에칭, 폴리머 및 감광물질의 도포, 경화 및 제거, 코어를 위한 패터닝, 브래그 격자 패터닝, 다이싱등의 공정에 대한 상세한 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있으므로 자세한 설명은 생략하나 통상의 반도체 제조방법과 실질적으로 유사한 기술을 사용하여 수행 될 수 있다. In the following description, details of processes such as deposition of metal films, etching, application, curing and removal of polymers and photosensitive materials, patterning for cores, Bragg grating patterning, dicing, etc. may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Although the detailed description is omitted, it may be performed using a technique substantially similar to a conventional semiconductor manufacturing method.
본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조방법은 크게, 유연성기판의 제작 단계(도 7(a) 및 7(b)), 브래그 격자가 형성된 광도파로 제작 단계(도 7(c) 내지 도 7(e)) 및 완성된 스트레인 센서를 Si 기판에서 분리하는 다이싱(dicing) 단계(도 7(f))를 거쳐 제작될 수 있다.The manufacturing method of the flexible substrate optical waveguide strain sensor according to the present embodiment is largely, the manufacturing steps of the flexible substrate (Figs. 7 (a) and 7 (b)), the step of manufacturing the optical waveguide formed with Bragg grating (Fig. 7 (c) to 7 (e)) and a dicing step (FIG. 7 (f)) for separating the completed strain sensor from the Si substrate.
우선 Au/Cr(520)이 증착된 Si 기판(510) 상에 최종적으로 완성될 소자의 크기를 고려하여 AZ 5214 photoresist(PR)을 이용한 photo-lithography 방식으로 패턴을 형성하고 기판 외곽 부분의 Au/Cr을 제거하여 노출된 Si 표면에 SU-8 폴리머가 접착될 수 있도록 한다.First, considering the size of the device to be finally completed on the
패터닝된 Si 기판 위에 SU-8 2015를 cyclopentanone과 2 : 1 비율로 섞은 용액을 6 ㎛ 두께로 코팅한 후 경화하여 SU-8층을 형성시키고(530), 유연성 기판(540)으로 사용 될 NOA 61을 100 ㎛ 두께로 코팅 후 경화시킨다. 마지막으로 SU-8 을 6 ㎛ 두께로 한 번 더 코팅(550)하여 폴리머 유연성 기판(540)의 표면 경도를 증가시킨다.After coating SU-8 2015 with cyclopentanone at a ratio of 2: 1 on a patterned Si substrate, the solution was coated to a thickness of 6 μm and cured to form a SU-8 layer (530), and a NOA 61 to be used as a flexible substrate (540). Is cured after coating to 100 μm thickness. Finally, SU-8 is once again coated 550 to 6 μm thick to increase the surface hardness of polymer
다음으로 단계(도 7(a) 및 7(b))를 통해 제조된 폴리머 다층 박막구조 상부로 브래그 격자(570)와 립 형태의 광도파로를 제작한다. 먼저 ZPU13-430을 10 ㎛ 의 두께로 코팅하여 하부 클래딩(560)을 제작한 후, 제작된 하부 클래딩 위에 Bragg grating(570)을 제작한다.Next, an optical waveguide having a Bragg grating 570 and a lip shape is manufactured on the polymer multilayer thin film structure manufactured through the steps (FIGS. 7A and 7B). First, ZPU13-430 is coated with a thickness of 10 μm to manufacture a
Bragg grating의 제작은 레이저 빔 간섭계를 이용하는 공정과 나노임프린팅 공정을 이용할 수 있다. 이 두 가지의 공정은 반도체 공정분야에서 널리 사용되는 것으로서, 이하에서는 간략하게 설명하기로 한다.Bragg gratings can be fabricated using laser beam interferometers and nanoimprinting processes. These two processes are widely used in the semiconductor processing field, and will be briefly described below.
레이저 빔 간섭계를 이용하는 방식에서는 Ar laser (Coherent Innova70, 488nm) 광원을 이용하여 holographic interference 방법으로 TSMR PR을 감광시켜 격자 구조를 만든 후, O2 플라즈마를 이용해서 하부 클래딩에 격자패턴을 새겨 넣게 된다.In the method using a laser beam interferometer, a lattice structure is formed by dividing TSMR PR using a holographic interference method using an Ar laser (Coherent Innova70, 488nm) light source, and then inscribe a lattice pattern on the lower cladding using O 2 plasma.
반면 나노임프린팅 방식에서는 Si 기판 상에 제작된 격자 패턴을 poly(dimethylsiloxane) (PDMS) mold로 복사한 뒤, 이를 경화되지 않은 하부 클래딩 폴리머 위에 덮고 UV를 조사하여 격자구조를 제작한다.On the other hand, in the nanoimprinting method, a lattice pattern fabricated on a Si substrate is copied to a poly (dimethylsiloxane) (PDMS) mold, and then the lattice structure is fabricated by covering it on the uncured lower cladding polymer and irradiating UV.
Bragg 격자 제작 후 LPS-154를 3 ㎛ 두께로 코팅하여 코어층(580)을 제조하고, 그 위에 AZ5214 PR 로써 광도파로 패턴을 제작한 후 O2 플라즈마를 이용하여 0.8 ㎛ ~ 0.9 ㎛ 깊이로 식각한다. 이렇게 완성된 코아층(580) 위에 ZPU13-430을 10 ㎛ 두께로 코팅하여 상부 클래딩(590)을 만들면 광도파로 구조가 완성된다.After fabricating the Bragg grating, LPS-154 was coated with a thickness of 3 μm to prepare a
완성된 광 소자(스트레인 센서, 100 또는 400)는 도 7(f)와 같이 lift-off 공정을 통해 Si기판과 분리하고 광 입출력을 위한 단면을 형성한다. 이때 SU-8 폴리머와 Si 기판이 접착되어 있는 부분을 절단하면 NOA61(540)/SU-8 층(530)이 Au 표면(520)과 분리되어 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 완성된다.The completed optical element (strain sensor, 100 or 400) is separated from the Si substrate through a lift-off process as shown in FIG. 7 (f) and forms a cross section for optical input / output. In this case, when the SU-8 polymer and the Si substrate are bonded to each other, the
참고로, Post lift-off 공정 이후에 stress release에 의해 유연성 기판이 약하게 휘어지는 현상이 발생할 수 있지만, 광도파로에서의 손실을 초래하지는 않는다. 다만 브래그 격자에 의해 반사되는 파장의 위치가 설계 위치에서 약간 이동하는 현상이 발생하였다. Post lift-off 공정 후의 유연성 기판 소자 자체만으로는 안정성이 떨어지며, 안정성을 유지해 줄 수 있는 패키징이 필요하다. 이를 위해, 광도파로 끝부분에 유리 조각을 붙이고 도파로 단면을 폴리싱한 후 광섬유를 연결하는 패키징을 통해 소자의 안정성을 높일 수 있다.For reference, after the post lift-off process, the flexible substrate may be weakly bent due to stress release, but it does not cause loss in the optical waveguide. However, the phenomenon that the position of the wavelength reflected by the Bragg grating slightly shifted from the design position occurred. After the post lift-off process, the flexible substrate device itself is less stable and requires packaging to maintain stability. To this end, the stability of the device can be improved by attaching a piece of glass to the end of the optical waveguide, polishing the cross section of the waveguide, and then connecting the optical fibers.
이상과 같이 본 발명의 스트레인 센서, 스트레인 측정 방법 또는 스트레인 센서 제조방법은 구체적인 구성 소자, 공정등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the strain sensor, the strain measuring method, or the strain sensor manufacturing method of the present invention has been described by specific embodiments such as specific components, processes, and the like, and the embodiments and drawings, which are provided to help a more general understanding of the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations are possible to those skilled in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the claims as well as the following claims will belong to the scope of the present invention. .
도 1은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 일 구조를 도시한 사시도이며, 1 is a perspective view showing one structure of a flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention,
도 2는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 실 부착예를 도시한 도면이며,2 is a view showing an example of the seal of the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention,
도 3은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 출력광의 파장에 따른 투과강도를 도시한 예이며, 3 is an example showing the transmission intensity according to the wavelength of the output light of the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention,
도 4는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 다른 구조를 도시한 예이며,Figure 4 is an example showing another structure of the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention,
도 5는 기판 종류에 따른 살펴본 브래그 격자 광도파로 소자의 온도 의존성을 측정한 결과이며,5 is a result of measuring the temperature dependency of the Bragg grating optical waveguide device according to the substrate type,
도 6은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 도시한 일 순서도이며, FIG. 6 is a flowchart illustrating a strain measuring method using a flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention.
도 7은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조 방법을 도시한 일 공정도이다. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the flexible substrate optical waveguide strain sensor of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100, 400 : 유연성기판 광도파로 스트레인 센서100, 400: flexible substrate optical waveguide strain sensor
110 : 기판 120 : 클래드110: substrate 120: clad
130 : 코어 140 : 브래그 격자130: core 140: Bragg grating
150, 151, 152, 153, 154 : 센싱 표면150, 151, 152, 153, 154: sensing surface
210 : 광섬유 210: optical fiber
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