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基于渐逝耦合微/纳米纤维的高灵敏度和快速响应应变传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/10/31

基于mnf耦合器的应变传感器工作原理 (a) 应变传感器结构示意图。(b), (c) mnf 耦合器在间隙略微变化之前和之后的光学显微照片,分别。mnf的直径约为900nm,弯曲半径为50μm。(d) 设备对三种不同音量的节拍器的响应。(e) 在正常情况下(每分钟 72 次)和运动后(每分钟 85 次)测量实时指尖脉搏波。插图显示了传感器连接到指尖以测试指尖脉搏的照片,比例尺为 1 厘米。图片来源:compuscript ltd


opto-electronic advances的新出版物讨论了一种高灵敏度和快速响应的光学应变传感器。


由于应变传感器对机械变形的响应,应变传感器在柔性电子、健康监测和软机器人等许多应用中发挥着重要作用。目前,已报道的应变传感器主要集中在运动检测的高拉伸性和大变形下的高灵敏度方面,而微变形下的低灵敏度(≤1%)可能会限制其在微位移检测和微弱生理信号监测中的应用。


最近,基于岛状结构、渗流和微裂纹等微结构的各种类型的电应变传感器已被证明可用于生理信号检测。然而,复杂的加工工艺和对电磁干扰的高敏感性给它们的实际应用带来了挑战。或者,与电子传感器相比,基于光纤的光学传感器具有吸引人的优势,包括固有的电气安全性、抗电磁干扰性和小尺寸。


作为光纤和纳米技术的结合,微/纳米纤维 (mnf) 因其在更新和扩展微/纳米级光纤和柔性传感器方面的潜力而引起了越来越多的研究兴趣。特别是,基于倏逝耦合 mnf 的光耦合器是一种用于高灵敏度光学传感的有前途的结构,因为耦合效率强烈依赖于环境折射率、耦合长度和两个相邻 mnf 之间的间隙。最近,提出了一种高灵敏度和快速响应的光学应变传感器,该传感器具有两个嵌入聚二甲基硅氧烷 (pdms) 薄膜中的瞬逝耦合光学微/纳米纤维 (mnf)。


对于应变≤ 0.5%,应变传感器的应变系数高达 64.5,应变分辨率为 0.0012%,对应于 1 cm 长器件上的 120 nm 伸长率。作为概念验证,实现了高灵敏度的指尖脉搏测量。高达 30 khz 的快速时间频率响应和 102 kpa-1 的压力灵敏度使传感器能够进行声音检测。这种多功能传感器可在生理信号监测、语音识别和微位移检测中发挥重要作用。


本文作者提出了一种高灵敏度和快速响应的光学应变传感器,如图 1a 所示。每个 u 形 mnf 的直径为 0.9 μm,弯曲半径为 50 μm。由于倏逝场在 mnf 之外呈指数衰减,耦合效率对两个 mnf 之间的间隙非常敏感。因此,两个mnf之间的任何位移都将反映在输出端口的光强变化上,从而实现高灵敏度的应变传感。


整个结构嵌入适当厚度的 pdms 薄膜中,以确保应变以高保真度传递到传感器。pdms薄膜可以将传感区域与空气隔离,从而避免因灰尘沉积和其他外部环境变化造成的不可预测的信号干扰。图 1b 和 c 表明这种耦合器对间隙宽度很敏感,因为当间隙宽度略有变化时,输出强度会发生显着变化。特殊设计的 mnfs 结构和 pdms 的灵活性赋予传感器高灵敏度和良好的延展性。


该传感器在 0-0.1% 应变范围内实现了 64.5 的应变系数,以及高达 30 khz 的快速时间频率响应,用于声音检测。该传感器还可以执行声音振动检测(图 1d)和人体指尖脉搏的实时监测(图 1e)。此外,该传感器具有器件结构简单、对光源和检测器要求低等特点。此外,利用对波长不敏感的器件响应,实验中使用的卤钨灯和光谱仪可以分别替换为具有成本效益的器件,例如 led 和光电二极管,这有利于可穿戴的弱生理信号传感系统。


提出的新传感器将为低成本、灵敏的多功能柔性传感器开辟一条简单的途径,在医疗健康监测、语音识别和微位移检测方面具有巨大潜力。


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