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- 基于漸逝耦合微/納米纖維的高靈敏度和快速響應(yīng)應(yīng)變傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/10/31
基于MNF耦合器的應(yīng)變傳感器工作原理 (a) 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。(b), (c) MNF 耦合器在間隙略微變化之前和之后的光學(xué)顯微照片，分別。MNF的直徑約為900nm，彎曲半徑為50μm。(d) 設(shè)備對三種不同音量的節(jié)拍器的響應(yīng)。(e) 在正常情況下（每分鐘 72 次）和運動后（每分鐘 85 次）測量實時指尖脈搏波。插圖顯示了傳感器連接到指尖以測試指尖脈搏的照片，比例尺為 1 厘米。圖片來源：Compuscript Ltd
Opto-Electronic Advances的新出版物討論了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器。
由于應(yīng)變傳感器對機(jī)械變形的響應(yīng)，應(yīng)變傳感器在柔性電子、健康監(jiān)測和軟機(jī)器人等許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。目前，已報道的應(yīng)變傳感器主要集中在運動檢測的高拉伸性和大變形下的高靈敏度方面，而微變形下的低靈敏度（≤1%）可能會限制其在微位移檢測和微弱生理信號監(jiān)測中的應(yīng)用。
最近，基于島狀結(jié)構(gòu)、滲流和微裂紋等微結(jié)構(gòu)的各種類型的電應(yīng)變傳感器已被證明可用于生理信號檢測。然而，復(fù)雜的加工工藝和對電磁干擾的高敏感性給它們的實際應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)�；蛘撸c電子傳感器相比，基于光纖的光學(xué)傳感器具有吸引人的優(yōu)勢，包括固有的電氣安全性、抗電磁干擾性和小尺寸。
作為光纖和納米技術(shù)的結(jié)合，微/納米纖維 (MNF) 因其在更新和擴(kuò)展微/納米級光纖和柔性傳感器方面的潛力而引起了越來越多的研究興趣。特別是，基于倏逝耦合 MNF 的光耦合器是一種用于高靈敏度光學(xué)傳感的有前途的結(jié)構(gòu)，因為耦合效率強(qiáng)烈依賴于環(huán)境折射率、耦合長度和兩個相鄰 MNF 之間的間隙。最近，提出了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器，該傳感器具有兩個嵌入聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜中的瞬逝耦合光學(xué)微/納米纖維 (MNF)。
對于應(yīng)變≤ 0.5%，應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)高達(dá) 64.5，應(yīng)變分辨率為 0.0012%，對應(yīng)于 1 cm 長器件上的 120 nm 伸長率。作為概念驗證，實現(xiàn)了高靈敏度的指尖脈搏測量。高達(dá) 30 kHz 的快速時間頻率響應(yīng)和 102 kPa-1 的壓力靈敏度使傳感器能夠進(jìn)行聲音檢測。這種多功能傳感器可在生理信號監(jiān)測、語音識別和微位移檢測中發(fā)揮重要作用。
本文作者提出了一種高靈敏度和快速響應(yīng)的光學(xué)應(yīng)變傳感器，如圖 1a 所示。每個 U 形 MNF 的直徑為 0.9 μm，彎曲半徑為 50 μm。由于倏逝場在 MNF 之外呈指數(shù)衰減，耦合效率對兩個 MNF 之間的間隙非常敏感。因此，兩個MNF之間的任何位移都將反映在輸出端口的光強(qiáng)變化上，從而實現(xiàn)高靈敏度的應(yīng)變傳感。
整個結(jié)構(gòu)嵌入適當(dāng)厚度的 PDMS 薄膜中，以確保應(yīng)變以高保真度傳遞到傳感器。PDMS薄膜可以將傳感區(qū)域與空氣隔離，從而避免因灰塵沉積和其他外部環(huán)境變化造成的不可預(yù)測的信號干擾。圖 1b 和 c 表明這種耦合器對間隙寬度很敏感，因為當(dāng)間隙寬度略有變化時，輸出強(qiáng)度會發(fā)生顯著變化。特殊設(shè)計的 MNFs 結(jié)構(gòu)和 PDMS 的靈活性賦予傳感器高靈敏度和良好的延展性。
該傳感器在 0-0.1% 應(yīng)變范圍內(nèi)實現(xiàn)了 64.5 的應(yīng)變系數(shù)，以及高達(dá) 30 kHz 的快速時間頻率響應(yīng)，用于聲音檢測。該傳感器還可以執(zhí)行聲音振動檢測（圖 1d）和人體指尖脈搏的實時監(jiān)測（圖 1e）。此外，該傳感器具有器件結(jié)構(gòu)簡單、對光源和檢測器要求低等特點。此外，利用對波長不敏感的器件響應(yīng)，實驗中使用的鹵鎢燈和光譜儀可以分別替換為具有成本效益的器件，例如 LED 和光電二極管，這有利于可穿戴的弱生理信號傳感系統(tǒng)。
提出的新傳感器將為低成本、靈敏的多功能柔性傳感器開辟一條簡單的途徑，在醫(yī)療健康監(jiān)測、語音識別和微位移檢測方面具有巨大潛力。
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