Высокочувствительный и быстродействующий тензометрический датчик на основе быстросоединенных микро/нановолокон

Новая публикация от Оптоэлектронные достижения обсуждает высокочувствительный и быстродействующий оптический датчик деформации.

Датчики деформации играют важную роль во многих приложениях, таких как гибкая электроника, мониторинг состояния здоровья и мягкая робототехника, благодаря их превосходной реакции на механические деформации. В настоящее время датчики деформации, о которых сообщается, в основном ориентированы на высокую растяжимость и высокую чувствительность при больших деформациях для обнаружения движения, однако низкая чувствительность при микродеформациях (≤1%) может ограничивать их применение при обнаружении микросмещений и мониторинге слабых физиологических сигналов.

Недавно для обнаружения физиологических сигналов были продемонстрированы различные типы датчиков электрической деформации, основанные на микроструктурах, таких как структуры островков, перколяции и микротрещины. Однако сложность обработки и высокая чувствительность к электромагнитным помехам затрудняют их практическое применение. Кроме того, оптоволоконные оптические датчики предлагают привлекательные преимущества по сравнению с их электронными аналогами, включая электрическую безопасность, невосприимчивость к электромагнитным помехам и малые размеры.

Как сочетание волоконной оптики и нанотехнологий, микро/нановолокна (МНВ) вызывают растущий интерес исследователей из-за их потенциала в обновлении и расширении волоконной оптики и гибких датчиков в микро/нано масштабе. В частности, оптический ответвитель на основе эванесцентно связанных MNF является многообещающей структурой для высокочувствительного оптического зондирования, поскольку эффективность связи сильно зависит от показателя преломления окружающей среды, длины связи и зазора между двумя соседними MNF. Недавно был предложен высокочувствительный и быстродействующий оптический тензодатчик с двумя затухающе связанными оптическими микро/нановолокнами (МНВ), встроенными в полидиметилсилоксановую (ПДМС) пленку.

Датчик деформации имеет коэффициент тензометрии до 64,5 для деформации ≤ 0,5% и разрешение деформации 0,0012%, что соответствует удлинению 120 нм на устройстве длиной 1 см. В качестве проверки концепции реализовано высокочувствительное измерение пульса на кончике пальца. Свойства быстрой временной частотной характеристики до 30 кГц и чувствительность к давлению 102 кПа-1 позволяют датчику обнаруживать звук. Такие универсальные датчики могут быть очень полезны для мониторинга физиологических сигналов, распознавания голоса и обнаружения микроперемещений.

Авторы этой статьи предлагают высокочувствительный и быстродействующий оптический датчик деформации, как показано на рисунке 1а. Каждый U-образный МНВ имеет диаметр 0,9 мкм и радиус изгиба 50 мкм. Поскольку исчезающее поле экспоненциально затухает вне МНФ, эффективность связи очень чувствительна к зазору между двумя МНФ. Таким образом, любое смещение между двумя MNF будет отражаться изменением оптической интенсивности на выходном порте, тем самым реализуя высокочувствительное определение деформации.

Вся структура встроена в пленку PDMS соответствующей толщины, чтобы гарантировать, что деформация передается на датчик с высокой точностью. Пленка PDMS может изолировать чувствительную область от воздуха, тем самым избегая непредсказуемых помех сигнала, вызванных осаждением пыли и другими внешними изменениями окружающей среды. На рисунках 1b и c показано, что такой ответвитель чувствителен к ширине зазора, поскольку интенсивность выходного сигнала резко меняется при незначительном изменении ширины зазора. Специально разработанная структура MNF и гибкость PDMS наделяют датчик высокой чувствительностью и хорошей пластичностью.

Датчик достиг коэффициента чувствительности 64,5 в диапазоне деформации 0–0,1% и быстрой временной частотной характеристики до 30 кГц для обнаружения звука. Датчик также может обнаруживать звуковые колебания (рис. 1d) и отслеживать в реальном времени пульс человека на кончике пальца (рис. 1e). Кроме того, датчик обладает такими свойствами, как простая структура устройства, низкие требования к источнику света и детектору. Кроме того, используя преимущество нечувствительного к длине волны отклика устройства, галогенная вольфрамовая лампа и спектрометр, используемые в экспериментах, могут быть заменены экономически эффективными устройствами, такими как светодиод и фотодиод, соответственно, что благоприятно для носимой системы обнаружения слабого физиологического сигнала.

Предлагаемый новый датчик откроет простой путь к недорогим, чувствительным многофункциональным гибким датчикам с большим потенциалом в медицинском мониторинге здоровья, распознавании голоса и обнаружении микроперемещений.

Предоставлено Компускрипт Лтд.