二维光波导压力感测器阵列制造技术

本公开揭露了一种二维光波导压力感测器阵列，包括两个或多个行光波导；两个或多个列光波导，其中行光波导和列光波导可变形并排列成平面阵列，以在交叉点定义感测器，其中每个交叉点包括行波导中的一个在其交叉点与列波导中的一个接触；其中每个交叉点进一步包括光耦合结构，配置为当压力施加到交叉点时加强波导的弯曲；其中，光耦合结构包括与行或列光波导中的至少一个接触设置的机械光散射材料层；其中，光波导压力感测器阵列被配置为通过向行光波导提供光和测量在每个交叉点耦合到其列光波导的光来感应压力，或反之亦然，并且其中耦合到列光波导的光依赖于施加到作为感测器的交叉点的压力。的交叉点的压力。的交叉点的压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二维光波导压力感测器阵列


[0001]本专利技术总体上涉及一种光波导压力感测器阵列，更特别的是涉及一种在光波导压力感测器阵列配置中使用聚合物光纖的二维压力感测系統。

技术介绍

[0002]压力感测系统是提供二维位置信息例如从US 4,733,068和US2019/0302879等公知。从这些公开文件中可以知道，使用光纤感测器阵列来测量二维结构中施加的压力的空间分布。这样的二维压力感测器系统特别适用于测量和监测物体和/或人的具体位置和运动。
[0003]一种压力感测系统，其中感测器阵列由光纤配置，而这些光纤是聚合物光纤(POFs)，其优点是便宜、坚固、有柔性的和对电磁干扰(EMI)不灵敏。在这样的压力感测系统中，可以提供一个光纤网格，其中在一个方向上提供的光纤连接到光源(特别是发光二极管(LEDs))，而在横向上提供的光纤连接到高灵敏度的光接收器。在交叉点上，一些来自一个光纤的光可能会耦合到交叉点上的光纤。因为这种光功率耦合取决于施加在交叉点上的压力，所以网格的每个交叉点都可以作为一个局部压力感测器。这样一个压力感测系统需要修改阵列中的感测器，以提供足够灵敏的压力依赖性光耦合。为了实现这种足够的压力依赖性光耦合，从而改善感测器系统的传输特性，感测器可以有额外的机械结构，这些结构被配置为加强波导弯曲，从而改善传输特性。这样的机械结构是环形的，但这些结构需要与光纤的交叉点精确对齐，这增加了系统的复杂性。
[0004]因此，实现使用POF作为光波导的压力感测系统是有利的，其复杂程度较低，精确度高。
专利
技术实现思路

[0005]在本公开的第一方面，提供了一种二维光波导压力感测器阵列，包括：两个或多个行光波导；
[0006]两个或多个列光波导，其中行光波导和列光波导是可变形的，并且排列在平面阵列中，以定义交叉点中的感测器，其中每个交叉点包括与列波导中的一个在其交点处接触的行波导中的一个；
[0007]其中每个交叉点进一步包括光耦合结构，其被配置为当压力施加到交叉点时增强波导的弯曲；
[0008]其中光耦合结构包括与行或列光波导中的至少一个接触设置的机械光散射材料层；
[0009]其中光波导压力感测器阵列被配置为通过向行光波导提供光和测量在每个交叉点耦合到其列光波导的光来感测压力，或反之亦然，并且其中耦合到列光波导的光依赖于施加到作为感测器的交叉点的压力。
[0010]所提供的是一种二维光波导压力感测器阵列。有了这样一个压力感测器阵列，就
可以测量物体和/或人在某一结构上的压力的二维空间分布。为此，所述系统提供了光波导，优选是聚合物或塑料光纤(POF)。
[0011]光波导，进一步被称为POFs，被提供在一个由N x M光纤组成的二维网格中，定义N x M感测器，包括至少两行和至少两列。技术人员会认识到，在一个优选的实施方案中，行和列的数量远远大于2
×
2网格，例如，8
×
8网格、16
×
16网格、32
×
32网格、64
×
64网格或具有不同数量的行和列，如8
×
16网格或16
×
32网格。
[0012]POF通常用于低速、短距离的光数据通信，它坚固、有柔性，对电磁干扰(EMI)不灵敏。POF很便宜，而且由于其芯材和包层的直径相对较大，容易处理并且容易将光耦合到其中。由于是由延展性聚合物(例如PMMA)制成，它不像二氧化硅光纤那样脆，当被拉伸时，它不会断裂但只是被拉长。对于两个POFs的互连，可以使用低精度的连接器，甚至可以跳过，即通过简单地劈开和对接POFs来实现互连。大直径的纤芯也减少了小划痕或灰尘颗粒对光纤端面的影响。由于其对弯曲灵敏的特性，再加上其延展性，POF也可用于感测。
[0013]基于二维(2
‑
D)POF的压力感测器阵列只检测POF中的衰减原则上是不可能的，只有在复杂的光纤网格中才可能。在一个交叉POF的二维网格中，有N个POFs在x方向运行，M个POFs在y方向运行，会得到M x N个交叉点，这些交叉点不能通过只测量每个POFs在x和y方向的衰减变化来单独检测，所以N+M损失测量值。此外，使用光纤布拉格光栅进行POF压力感测从根本上说是一种复杂而昂贵的技术。
[0014]所提出的系统有一个POF网格，其中一个方向的光纤连接到光源，并且垂直方向的光纤连接到高灵敏度的光接收器。在一个交叉点上，光纤最好没有被修改，一个光纤的非常少量的光可能会耦合到交叉点上的光纤。因为这种非常小的光功率耦合取决于施加在交叉点上的压力，网格的每个光纤交叉点可以作为一个压力感测器，其中在交叉点或交叉点耦合的光取决于施加在相应交叉点上的压力。更优选地，在被耦合的光和施加在交叉点上的压力之间存在着一种比例关系，更优选地是线性关系。
[0015]所提出的低成本和坚固的二维光学压力感测器原理可用于许多应用，诸如：
[0016]‑
在非临床(家庭)情况下，用于长期不受干扰和精确睡眠运动监测，
[0017]‑
在虚拟现实(VR)地板垫中检测人员或游戏者的确切位置，以便这些人留在正确的区域，
[0018]‑
它可以应用在(或织入)地毯下或PVC地板下，用于对(老年)人的隐私友好的跌倒检测。
[0019]‑
或在核磁共振扫描(MRI)期间检测人的运动，这种光学检测方法甚至对非常强的磁场和射频场(RF)都有免疫力，
[0020]‑
用于监测运动受限的床上人员的精确压力曲线，以防止压力伤害(例如褥疮)，
[0021]‑
在适应性床垫中，局部压力被自动控制以提高睡眠舒适度。
[0022]已知的基于POFs的二维光波导压力感测器阵列需要小环形元件形式的光耦合结构来增强POF的波导弯曲。尽管增加环形元件可以增强波导弯曲，从而改善传输特性，但它也有一个缺点，即由于每个环需要与光纤的交叉点精确对准而增加了复杂性。
[0023]本专利技术人的见解是为了实现足够的、可被检测的、依赖于压力的光耦合，而构成光纤不需要修改，而是保持不变并且光耦合结构也不需要是环形的，光耦合结构可以采用各种形状和尺寸的光散射材料的小贴片的形式，这些贴片有利地应用在每个光纤交叉点。贴
片相对于交叉点的定位不需要很高的精度，而环的位置则需要精确。
[0024]所述光耦合结构进一步优选为柔性的，例如包括白色硅橡胶。有了具有柔性光散射材料层的光耦合结构，就能以更好的方式检测光耦合。更特别的是，所提出的光耦合结构允许更多的线性传输特性，这不仅使感测器更准确，而且还简化了读出。
[0025]已经认识到，使用所提出的基于POF的系统，其光耦合结构具有一个或多个光散射材料层，感测器的传输特性得到了改善，而没有增加复杂性，因为具有(优选是柔性的)光散射材料的光耦合结构，不仅会导致宏观弯曲(光纤的特定最小弯曲半径，在所述半径下，光将通过包层离开纤芯)，而且还会导致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种二维光波导压力感测器阵列，包括：两个或多个行光波导；两个或多个列光波导，其中所述行光波导和所述列光波导是可变形的，并且排列在平面阵列中，以定义交叉点中的感测器，其中每个交叉点包括与所述列波导中的一个在其交点处接触的所述行波导中的一个；其中每个交叉点进一步包括光耦合结构，其被配置为当压力施加到所述交叉点时增强波导弯曲度；其中所述光耦合结构包含与所述行光波导或所述列光波导中的至少一个接触设置的机械光散射材料层；其中所述光波导压力感测器阵列被配置为通过向所述行光波导提供光和测量在每个交叉点耦合到其列光波导的光来感测压力，或反之亦然，并且其中耦合到所述列光波导的所述光依赖于施加到作为感测器的所述交叉点的所述压力。2.根据权利要求1所述的二维光波导压力感测器阵列，其中所述光耦合结构包含与所述行光波导和所述列光波导接触并在其两侧配置的两层光散射材料，其中所述行光波导和所述列光波导垂直地配置在所述两层光散射材料之间。3.根据前述任何一项权利要求所述的二维光波导压力感测器阵列，其中所述两层光散射材料的尺寸和形状基本相同，并基本横向排列。4.根据前述任何一项权利要求所述的二维光波导压力感测器阵列，其中每个行光波导包括由波导包层包围的波导芯，其中每个列光波导包括由波导包层包围的波导芯，其中所述行光波导和所述列光波导的所述波导包层都被安排在一个或多个交叉感测器处进行透光性接触。5.根据前述任何一项权利要求所述的二维光波导压力感测器阵列，其中每个行光波导包括被波导包层包围的波导芯，其中每个列光波导包括被波导包层包围的波导芯，其中所述波导芯的横截面直径相对于所述波导包层的比率至少为50：1，优选至少为75：1，更优选至少为90：1，最优选大约为100：1。6.根据前述任何一项权利要求所述的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利库斯，
申请(专利权)人：卢西森斯科技私人有限责任公司，
类型：发明
国别省市：