[发明专利]一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法

说明书

本发明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，本发明具有良好的稳定性，机械强度和抗电磁干扰能力。

技术领域

本发明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。

背景技术

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10 μm（单模）或62.5 μm（多模），包层直径为125 μm，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500 nm至5 μm。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。