[發明專利]一種柔性微納光纖角度傳感芯片及傳感器和制備方法

有效

• 申請號: 201710218370.6
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107014411B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 張磊;童利民
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

本發明公開一種柔性微納光纖角度傳感芯片，包括柔性基片和光纖拉錐，光纖拉錐的拉伸部分、拉錐過渡區以及兩端未拉伸部分的局部包埋于柔性基片內，所述柔性微納光纖角度傳感芯片的彎曲位置位于光纖拉錐的拉伸部分。當微納光纖傳感芯片發生彎曲時，由于微納光纖的彎曲損耗和柔性聚合物折射率的增加，輸出光強信號隨之變小，從而實現角度傳感。并且，本發明能實現超高靈敏度的角度傳感。由于微納光纖包埋于柔性材料中，微納光纖可以免受外界環境因素的干擾，本發明具有良好的穩定性，機械強度和抗電磁干擾能力。

技術領域

本發明涉及一種基于微納光纖的傳感器，特別是涉及一種基于微納光纖的角度傳感器及其制備方法，屬于光纖傳感領域。

背景技術

隨著可穿戴設備、機器人和人機交互設備的發展，柔性傳感器已成為當今科學的研究熱點領域，其中柔性角度傳感器對于上述領域的發展至關重要。柔性角度傳感器在手勢檢測，人體關節運動監測，機器手控制等領域發揮著重要作用，在康復醫療，機器人和虛擬現實的人機互動等領域具有廣闊的應用前景。

目前使用的柔性角度傳感器一般通過檢測電阻或電容的變化實現對角度變化的傳感。其基本結構是用柔性基底包埋微電極或納米電學功能材料（石墨烯，碳納米管，金屬納米顆粒等），通過有線或無線方式實現傳感單元與外部檢測器的通信。當傳感器發生彎曲形變時，產生相應的電阻或電容的變化，通常電流的變化在pA量級，電容變化在pF量級，需要高精度的電學檢測儀器才能探測到信號的變化。此外，基于電學原理檢測的傳感器易受電磁干擾，在強電磁環境和易燃易爆環境下難以正常工作，這對于機器人來說，其工作范圍會受到很多限制。

除了上述的柔性電學角度傳感器，還可通過外部光學追蹤攝像技術和三軸重力加速度傳感器，對關節點進行標記，跟蹤關節位置，分析關節的彎曲和人體的運動情況，實現柔性角度傳感器的功能。但是，基于視覺方式的光學追蹤攝像技術只能應用于安裝有深度相機的特定場合，在弱光條件或存在障礙物時難以正常工作，由于受到深度相機自身分辨率的限制，對于關節的微小運動不敏感。基于三軸重力加速度傳感器的手勢檢測技術需要復雜的建模和大量的計算，由于這種技術多采用無線模塊進行數據傳輸，同樣易受電磁干擾。

光纖傳感器在抗電磁干擾和靈敏度方面展現出獨特優勢，目前報道的光纖角度傳感器多采用加工有微結構（例如Bragg光柵或Fabry-Perot腔）的標準通訊光纖或微結構光纖作為傳感元件，通過測量共振峰波長移動進行傳感，在樓宇，橋梁和鐵軌的健康監測等領域有廣泛應用。標準通信光纖由高折射率的芯層和低折射率的芯層組成，其芯徑為10 μm（單模）或62.5 μm（多模），包層直徑為125 μm，用于傳感的探測光通常為可見光或近紅外波段的光，探測光以全內反射的形式在光纖芯層中傳播。微結構光纖的直徑與標準光纖相當，但是其芯層為規則排列的微孔結構，制作成本高，探測光的輸入和輸出需要借助于與標準光纖的耦合或熔接實現。由于標準通訊光纖和微結構光纖的直徑大，彎曲半徑大，形變范圍小，由它們制成的角度傳感器難以滿足可穿戴設備、機器人和人機交互設備在形變和尺寸等方面的要求。

微納光纖是一種直徑與傳播光波長接近或更小的新型光纖，其直徑通常在500 nm至5 μm。微納光纖多由標準通信光纖加熱拉伸制備，光纖拉錐兩端的未拉伸部分為標準光纖，易與外部光源和檢測器集成，拉伸部分即微納光纖。自從2003年童利民等首次演示了亞波長直徑微納光纖的低損耗導光特性以來，微納光纖在近場光學、非線性光學、表面等離激元、微納光器件等領域的研究備受關注，其中微納光纖傳感器是研究最多的方向之一。