一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法技术

本发明专利技术公开一种柔性微纳光纤角度传感芯片，包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区以及两端未拉伸部分的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分。当微纳光纤传感芯片发生弯曲时，由于微纳光纤的弯曲损耗和柔性聚合物折射率的增加，输出光强信号随之变小，从而实现角度传感。并且，本发明专利技术能实现超高灵敏度的角度传感。由于微纳光纤包埋于柔性材料中，微纳光纤可以免受外界环境因素的干扰，本发明专利技术具有良好的稳定性，机械强度和抗电磁干扰能力。

Flexible micro nano optical fiber angle sensing chip, sensor and preparation method

The invention discloses a flexible micro nano fiber angle sensor chip, which comprises a flexible substrate and a fiber taper, a fiber taper drawing part, tapered transition zone and the local part of the package at both ends of unstretched buried flexible substrate, stretching and bending positions of the flexible micro nano fiber angle sensor chip in optical fiber cone part. When the micro nano fiber sensing chip is bent, the output light intensity becomes smaller due to the bending loss of micro nano fiber and the increase of refractive index of flexible polymer, so angle sensing is realized. Moreover, the invention can realize ultra high sensitivity angle sensing. Because the micro nano fiber is embedded in the flexible material, the micro nano fiber can be protected from the interference of the external environmental factors, and the invention has good stability, mechanical strength and anti electromagnetic interference capability.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法
本专利技术涉及一种基于微纳光纤的传感器，特别是涉及一种基于微纳光纤的角度传感器及其制备方法，属于光纤传感领域。
技术介绍
随着可穿戴设备、机器人和人机交互设备的发展，柔性传感器已成为当今科学的研究热点领域，其中柔性角度传感器对于上述领域的发展至关重要。柔性角度传感器在手势检测，人体关节运动监测，机器手控制等领域发挥着重要作用，在康复医疗，机器人和虚拟现实的人机互动等领域具有广阔的应用前景。目前使用的柔性角度传感器一般通过检测电阻或电容的变化实现对角度变化的传感。其基本结构是用柔性基底包埋微电极或纳米电学功能材料（石墨烯，碳纳米管，金属纳米颗粒等），通过有线或无线方式实现传感单元与外部检测器的通信。当传感器发生弯曲形变时，产生相应的电阻或电容的变化，通常电流的变化在pA量级，电容变化在pF量级，需要高精度的电学检测仪器才能探测到信号的变化。此外，基于电学原理检测的传感器易受电磁干扰，在强电磁环境和易燃易爆环境下难以正常工作，这对于机器人来说，其工作范围会受到很多限制。除了上述的柔性电学角度传感器，还可通过外部光学追踪摄像技术和三轴重力加速度传感器，对关节点进行标记，跟踪关节位置，分析关节的弯曲和人体的运动情况，实现柔性角度传感器的功能。但是，基于视觉方式的光学追踪摄像技术只能应用于安装有深度相机的特定场合，在弱光条件或存在障碍物时难以正常工作，由于受到深度相机自身分辨率的限制，对于关节的微小运动不敏感。基于三轴重力加速度传感器的手势检测技术需要复杂的建模和大量的计算，由于这种技术多采用无线模块进行数据传输，同样易受电磁干扰。光纤传感器在抗电磁干扰和灵敏度方面展现出独特优势，目前报道的光纤角度传感器多采用加工有微结构（例如Bragg光栅或Fabry-Perot腔）的标准通讯光纤或微结构光纤作为传感元件，通过测量共振峰波长移动进行传感，在楼宇，桥梁和铁轨的健康监测等领域有广泛应用。标准通信光纤由高折射率的芯层和低折射率的芯层组成，其芯径为10μm（单模）或62.5μm（多模），包层直径为125μm，用于传感的探测光通常为可见光或近红外波段的光，探测光以全内反射的形式在光纤芯层中传播。微结构光纤的直径与标准光纤相当，但是其芯层为规则排列的微孔结构，制作成本高，探测光的输入和输出需要借助于与标准光纤的耦合或熔接实现。由于标准通讯光纤和微结构光纤的直径大，弯曲半径大，形变范围小，由它们制成的角度传感器难以满足可穿戴设备、机器人和人机交互设备在形变和尺寸等方面的要求。微纳光纤是一种直径与传播光波长接近或更小的新型光纤，其直径通常在500nm至5μm。微纳光纤多由标准通信光纤加热拉伸制备，光纤拉锥两端的未拉伸部分为标准光纤，易与外部光源和检测器集成，拉伸部分即微纳光纤。自从2003年童利民等首次演示了亚波长直径微纳光纤的低损耗导光特性以来，微纳光纤在近场光学、非线性光学、表面等离激元、微纳光器件等领域的研究备受关注，其中微纳光纤传感器是研究最多的方向之一。由于微纳光纤的直径与所传播光的波长相近或更小，微纳光纤的包层为外界的环境介质，当光在微纳光纤中传输时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部的环境介质，因此微纳光纤的光场分布对于外界环境的变化非常敏感，这一特性使得微纳光纤在制备新型高灵敏度，小尺寸的传感器方面具有独特优势。为了获得更高的传感灵敏度，通常需要有更多的能量以倏逝场的形式在微纳光纤外围的介质中传播。减小光纤直径是增加倏逝场比例的有效方法，例如，当光在直径200nm的裸露在空气中的二氧化硅微纳光纤中传播时，约有90%的能量以倏逝场的形式存在于光纤外围，但这种裸露在空气中的二氧化硅微纳光纤易受环境因素的干扰，且光纤直径小于1μm时，光纤易折断，操作难度增加。增加倏逝场比例的另一方法是在保证外围介质的折射率小于微纳光纤折射率的前提下，降低两者的折射率差。例如，二氧化硅微纳光纤的折射率为1.45，空气的折射率为1.0，将二氧化硅微纳光纤浸入在折射率为1.33的水中时，其外围倏逝场比例显著增加。这就可以采用较粗的微纳光纤获得较高的传感灵敏度，同时避免微纳光纤过细造成的操作困难的问题。通过采用折射率低于微纳光纤的柔性材料包埋微纳光纤，不仅能保留微纳光纤的光学特性，提高微纳光纤外围倏逝场比例，还能显著提高微纳光纤的稳定性，使其免受外界环境因素的干扰。这些特性为制备高灵敏度、微型化的柔性角度传感器提供了可能。微纳光纤还具有良好的机械性能，弯曲半径可以小至微米量级，通过显微操作设备可以对其进行精确操控，将其组装成特定形状。目前，微纳光纤在气体和生化传感领域已有广泛应用，展示了灵敏度高，响应时间快，功耗低，尺寸小等优点。近期，基于微纳光纤的微应力传感器已有报道，由于所使用的微纳光纤暴露在空气中，易受环境因素的干扰，虽然展示了高灵敏度的特性，但是难以实用化。因此，研究一种高灵敏度、高稳定性的柔性微纳光纤传感器对于可穿戴设备、机器人和人机交互设备等领域研究和发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有高灵敏度和长期工作稳定性的柔性微纳光纤角度传感器。为实现以上专利技术目的，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术柔性微纳光纤角度传感芯片包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区以及两端未拉伸部分的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分。进一步地，本专利技术所述光纤拉锥的拉伸部分的直径小于5μm，并且，该拉伸部分的长度大于0且小于5cm。进一步地，本专利技术所述光纤拉锥的拉伸部分的形状呈直线形、U字形或曲线形。进一步地，本专利技术所述柔性基片的折射率小于光纤拉锥的折射率。进一步地，本专利技术所述柔性基片的折射率大于空气的折射率。进一步地，本专利技术还包括光源和探测器，光纤拉锥两端的未拉伸部分分别与光源、探测器连接。本专利技术柔性微纳光纤角度传感芯片的制备方法包括：将未固化的柔性材料涂覆在平面基底上，后经固化、剥离，将固化后的柔性材料放置在平面基底上；将通信光纤的保护层剥去，采用光纤拉锥设备将所述通信光纤拉伸得到光纤拉锥；将光纤拉锥放置在固化后的柔性材料的表面，使得光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区和未拉伸部分的局部处于固化后的柔性材料的表面上；接着再浇注上一层未固化的柔性材料，使得光纤拉锥的拉伸部分、拉锥过渡区和两端未拉伸部分的局部包埋于柔性材料内，后对未固化的柔性材料固化，形成柔性微纳光纤角度传感芯片。进一步地，本专利技术所述通信光纤为标准通讯光纤。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）将微纳光纤包埋于柔性材料中可以显著提高传感器的稳定性，使其免受气流扰动和灰尘吸附造成的干扰。（2）将微纳光纤包埋于柔性材料中可以显著提高微纳光纤的可操作性，例如直径1微米以下的微纳光纤在没有柔性材料保护的条件下很容易折断，通过柔性材料的包埋，可以不依赖精密设备对微纳光纤进行弯曲、扭曲和拉伸等操作，从而满足角度传感器在形变方面的需要。（3）与直接裸露在空气中的微纳光纤相比，若所用柔性材料的折射率大于空气的折射率，且小于微纳光纤的折射率，经过柔性材料包埋之后，由于微纳光纤和与其外围介质（柔性材料）的折射率差变小，微纳光纤外围会产生更大比例的倏逝场，有利于获得更高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分（1）、拉锥过渡区（2）以及两端未拉伸部分（3）的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分（1）。

【技术特征摘要】
1.一种柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：包括柔性基片和光纤拉锥，光纤拉锥的拉伸部分（1）、拉锥过渡区（2）以及两端未拉伸部分（3）的局部包埋于柔性基片内，所述柔性微纳光纤角度传感芯片的弯曲位置位于光纤拉锥的拉伸部分（1）。2.根据权利要求1所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述光纤拉锥的拉伸部分（1）的直径小于5μm，并且，该拉伸部分（1）的长度大于0且小于5cm。3.根据权利要求1或2的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述光纤拉锥的拉伸部分（1）的形状呈直线形、U字形或曲线形。4.根据权利要求1至3中任一项所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述柔性基片的折射率小于光纤拉锥的折射率。5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性微纳光纤角度传感芯片，其特征是：所述柔性基片的折射率大于空气的折射率。6.一种包含权利要求1至5中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，童利民，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33