一种扁平结构柔性光纤传感器的制备方法及应用技术

本发明专利技术提出了一种扁平状柔性光纤传感器的制备方法及应用，是一种对拉力应变灵敏的传感器，主要应用于可穿戴。此光纤传感器的制作使用模具塑型，使得光纤的中段为扁平状，与之前制作柔性光纤使用玻璃管塑型的方法不同的是，本发明专利技术使用了聚四氟乙烯塑料管，这样的好处是可以改变光纤的结构来提高光纤传感器的性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种扁平结构柔性光纤传感器的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于光纤传感领域，具体涉及一种扁平结构柔性光纤传感器的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]柔性光纤传感器可以作为一种可穿戴应变传感器，在医疗保健、运动监测、人机互动及软体机器人等诸多领域具有广泛的应用前景。由于要应用于人体，这就要求可穿戴传感器柔软度高、灵敏度高、应变范围大、易于贴合人体皮肤弯曲表面以及舒适度高，随着人们对自己健康越来越重视，对于柔性可穿戴传感器的需求也随之增加，目前已有很多的研究工作投入到柔性、可拉伸应变传感器的设计和研发。
[0003]目前出现的可穿戴传感器除了较少数的光纤类传感器，大多数都是具有压电效应的导电材料所制成的传感器，如压电陶瓷、碳纳米管、金纳米线、银纳米线等混合复合材料等，通过材料形变产生的电阻/电容变化来实现对应变的定量测量。然而在实际应用中，传感器的小型化、电磁绝缘及金属元件的生物兼容性等问题仍待解决。光纤传感器，相比于压电类传感器具有尺寸小、抗电磁干扰及可复用等优势。
[0004]已经存在的柔性光纤传感器研究包含将微纳光纤或者光栅封装在PDMS薄膜中进行光纤可穿戴传感的，例如，Jing Pan等人设计并制作了一种使用把预弯曲MNF嵌入PDMS薄膜中的可拉伸的类皮肤可穿戴光学传感器(SLWOS)，具有高灵敏度和快速响应的呼吸和人体运动传感；Jingjing Guo等人报道了一种通过在可拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底的偏心位置嵌入正弦形光纤光栅制成的光学(SFO)应变传感器，用于可穿戴的人类活动检测；George T.Kanellos等人报道了一种可穿戴传感器，该传感器把高灵敏度布拉格光栅元件嵌入具有二维光学压力传感的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜中；Li Xu等人提出并演示了一种柔软和可拉伸的光纤传感器，它是由写在传统玻璃光纤和硅胶膜上的光纤布拉格光栅(FBG)组成的，这种光纤通过应变光学和几何效应引起的布拉格波长的偏移实现了应变传感。然而由于脆性等缺陷，它们的使用受到限制，只允许在狭窄的应变范围内(ε<1％)进行检测。有将金属离子混入PDMS制成纤心，外层包裹不同配比的PDMS所制成的柔性光纤可穿戴传感器，如：专利申请号201811325073.2中国专利技术专利“一种柔性、可拉伸的光纤应变传感器探头及其制备方法”提出的一种柔性、可拉伸的光纤应变传感器探头，是将柔性传感光纤与两端的一对光纤耦合，此种制作可穿戴传感器的制作方法存在着测量时误差较大的问题，其在制作柔性光纤时使用空心管模具，其制作的柔性光纤较短且不能改变柔性光纤的结构。上述将微纳光纤或者光栅封装在PDMS中的光纤可穿戴传感器的制作方法存在制作工艺复杂，应变范围小的问题。本专利技术将做一个整体材料为PDMS，具有微槽结构的柔性光纤，避免产生柔性光纤与其他材质光纤耦合带来的测量误差以及提高了柔性光纤的应变范围。

技术实现思路

[0005]针对上述光纤传感器实现可穿戴应用所面临的挑战，本专利技术提供一个对拉力应变
灵敏的扁平结构柔性光纤传感器传感器的制备方法及应用，用于实时监测人体信号(如呼吸、说话、吞咽、关节弯曲等)。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提出的一种扁平结构柔性光纤传感器的制备方法及应用，其特征在于，所述传感光纤整体采用柔性、可拉伸且生物兼容的有机硅高分子材料(PDMS)制成，在其中断区域采用塑型的方法进行扁平结构制作，光纤整体的两端为圆柱形光纤，中间为扁平状。
[0008]本专利技术主要提供了一种对拉力应变敏度、柔性微结构光纤的制备方法及应用，包括：首先将PDMS单体和固化剂以10:1的比例放入烧杯中充分搅拌混合，静置到气泡完全消失，在此过程中，将针管与聚四氟乙烯塑料管用热熔胶粘连在一起，等热熔胶固化；第二步将针管固定在微流泵上，聚四氟乙烯塑料管的未固定端放入装有PDMS前驱体液体的烧杯里，开始抽取PDMS前驱体溶液；第三步，将装满PDMS前驱体溶液的聚四氟乙烯塑料管与针管分离，放入夹具中固定好；第四步，将夹具与PDMS前驱体溶液一起放入加热平台中80度半小时使PDMS前驱体溶液固化；最后，用剪刀剪开聚四氟乙烯塑料管，用手撕开管子后得到微结构光纤。
[0009]本专利技术还可以包括：
[0010]本专利技术使用的夹具由直角台钳、两块矩形模具组成，改变矩形模具之间的距离可以得到不同压扁厚度的扁平结构柔性光纤传感器，直角台钳的作用是将这两个模具固定在一起，两个矩形模具的长是2cm。
[0011]在制作光纤时使用了聚四氟乙烯塑料管，聚四氟乙烯塑料管是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物。是一种白色蜡状、半透明、耐热、耐寒性优良的软管，可在
‑
180～260℃长期使用，这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。当PDMS在高温中固化时，其性能不受影响，不会影响PDMS光纤的性能，能更好的在固化时使用模具对光纤的结构进行改变，在固化完成后的PDMS光纤与聚四氟乙烯塑料管非常容易分离，也保证了微结构光纤在制作完成后的完整性，本专利技术使用的聚四氟乙烯塑料管内径为1.93mm。
[0012]PDMS是一种具有优异的力学性能、热稳定性、各向同性、均匀性，并且在宽光谱范围内呈现高透明度的柔软、可拉伸的弹性体，是一种制作柔性光纤的理想材料，但之前所制作的PDMS柔性光纤传感器在制作方法上受限，不能改变光纤的结构来提高传感器的灵敏度，本专利技术提出了在固化过程中改变PDMS光纤结构的方法，解决改变光纤结构和提高灵敏度的问题，可以制作长度较长的光纤，不需要与其他材质的光纤相耦合，在测量时误差小，并且制作过程简单。
[0013]本专利技术的工作原理为：光开始进入到扁平结构柔性光纤传感器时，先经过一段圆柱形区域，此时光在空气和光纤中满足全反射传输，基本无损耗的传输到扁平区域，在圆柱区域到扁平区域的过渡区域，入射光的角度在过渡区域会变小，其中的一部分光不符合全反射条件并泄漏出到空气中，出现较大的损耗。在拉力应变或者弯曲过程中都会导致光的入射角度的变化，使得光纤在测试过程中有更灵敏的表现。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0015]目前所制作的PDMS光纤是使用玻璃管制作并注水脱离管子，这样做的光纤长度会受制于玻璃管的长度，不易制作较长的PDMS光纤，本专利技术使用聚四氟乙烯塑料管，可以制作
较长的PDMS柔性光纤传感器。
[0016]PDMS是一种固化后很难改变结构的材料，之前使用玻璃管制作PDMS柔性光纤传感器，由于玻璃管外壁是硬的，无法在固化过程中改变光纤的结构来优化光纤的性能，所以在本专利技术中使用聚四氟乙烯塑料管，利用其外壁柔软且在高温中化学性质稳定不会和PDMS产生化学反应，可以在固化中改变光纤的结构来优化光纤的性能。
[0017]本专利技术所制作的扁平微结构柔性光纤可达到270％的应变，远超过石英光纤的拉伸极限(应变<1％)，并且与未做扁平结构的柔性光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扁平结构光纤传感探头的制备及应用，主要特征是整个光纤都是由有机硅高分子材料构成，并且在光纤中断有一段扁平结构。此传感探头的制作过程，是将未固化的PDMS前驱体溶液利用模具对其进行塑型，做到中断为扁平结构的光纤，以提高传感器的灵敏度。2.如权利要求1所述的扁平结构柔性光纤传感器传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕传新，夏童，苑立波，邓洪昌，
申请(专利权)人：南宁桂电电子科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：