[發明專利]一種基于微納光纖的柔性溫度和壓力傳感器

在審

• 申請號: 202110757124.4
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113503917A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 姚妮;方偉;張磊;楊文珍;王嘯宇;馬庶祺;王世鵬;宋星達
• 申請（專利權）人: 之江實驗室;浙江大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于微納光纖的柔性溫度和壓力傳感器。包括白光光源、微納光纖和光譜儀、柔性基底、柔性薄膜；微納光纖在柔性基底上，微納光纖上有柔性薄膜，微納光纖兩端分別和白光光源、光譜儀連接；微納光纖分為未拉伸部分、拉錐過渡區和腰區，微納光纖的兩端均為未拉伸部分，兩端的未拉伸部分之間設有腰區，腰區直徑小于未拉伸部分直徑，腰區兩端分別經拉錐過渡區和兩端未拉伸部分連接，兩端未拉伸部分分別連接白光光源和光譜儀。本發明能夠實現溫度和壓力信號的獨立區分測量，同時可以標定柔性基底材料在不同溫度下的折射率，具有尺寸小、靈敏度高和響應速度快等優點，具有良好的魯棒性以及穩定性。

技術領域

本發明涉及一種利用微納光纖監測可見光的波長和近紅外光的強度變化，以及涉及用于控制系統的測試裝置，尤其涉及一種觸覺感知控制系統的溫度傳感器和壓力傳感器。

背景技術

觸覺感知，作為“五感”感知的重要一環，讓人類敏銳感知外界壓力和溫度等環境因素的微小變動，安全高效地應對環境變化。人類的觸覺來源于皮膚中復雜的觸覺傳感器網絡，傳感器網絡中不同的觸覺傳感器(觸覺小體)感知不同的外界刺激后將感知的壓力、溫度、濕度和振動等信息傳遞給大腦處理，使人類獲得接觸覺、溫覺、涼覺、痛覺等信息。人類的觸覺是多參量同時測量并在大腦有效融合后對事物或環境產生的一個“綜合感知”，其中，壓力和溫度是觸覺感知中最重要的兩個參量。因此，如何實現壓力和溫度信號地同時測量是實現類人觸覺感知的關鍵問題。

目前研究的溫度和壓力傳感器多基于電學原理，而基于電學原理的傳感器易受電磁干擾、寄生效應和信號串擾等特性影響，這在很大程度上限制其在實際中的應用。而基于光學原理的觸覺傳感器因不受電磁干擾、無寄生效應、耐化學腐蝕等特點可以克服基于電學原理傳感器的缺點。但是標準光纖的直徑為125μm，難以滿足傳感器微型化的要求，且利用標準光纖制備的傳感器靈敏度較低，限制了其在很多場景的應用。

目前，基于微納光纖的溫度傳感器或者壓力傳感器大多通過在微納光纖上制備光柵完成，其除了加工工藝復雜之外，需要借助矩陣運算求解測得的溫度信號或者壓力信號，計算過程十分復雜。并且溫度信號或者壓力信號之間存在串擾，難以同時實現基于微納光纖的溫度傳感器或者壓力傳感器的同時存在，無法同時實現溫度信號或者壓力信號的準確測量。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種基于微納光纖的柔性溫度和壓力傳感器，它能夠實現溫度和壓力信號的獨立區分測量，同時本發明可以提供一種準確、簡單、低成本的柔性薄膜材料在不同溫度下折射率的測試方法。本發明溫度和壓力傳感器應用于可穿戴設備時，還具有較好的柔性，能很好地和人體皮膚貼合。

為實現以上上述目的，本發明所采取的技術方案是：

本發明包括白光光源、微納光纖和光譜儀、用于放置微納光纖的柔性基底、用于覆蓋微納光纖的柔性薄膜；微納光纖放置在柔性基底上，微納光纖之上覆蓋設有柔性薄膜，微納光纖的兩端分別和白光光源、光譜儀連接；所述的微納光纖分為兩段未拉伸部分、兩段拉錐過渡區和一段腰區，微納光纖的兩端均為未拉伸部分，兩端的未拉伸部分之間設有腰區，腰區直徑小于未拉伸部分直徑，腰區兩端分別經各自的一段拉錐過渡區和兩端的未拉伸部分一端連接，兩端的未拉伸部分另一端分別連接白光光源和光譜儀。

所述的拉錐過渡區將腰區和未拉伸部分不同直徑的端部之間進行過渡連接。未拉伸部分的直徑是固定的，通常是125μm。

所述的腰區及其兩端的拉錐過渡區均被柔性薄膜包覆在柔性基底上。

所述的腰區直徑在1.8-2.1μm左右。

本發明所述的微納光纖為整條微納光纖通過特定的方法制備獲得。