[发明专利]一种可用于集成微纳光纤传感器的装置

说明书

本发明公开了一种能够用于集成微纳光纤传感器的装置，其中，芯片级光源和芯片级光探测器固定于柔性基底上，微纳光纤传感器中的微纳光纤的第一连接端的纤芯直径大于所传输的光的波长，微纳光纤的第二连接端的纤芯直径为亚波长尺度，第一连接端的端面固定于柔性基底上并与芯片级光源的出射光相对，使芯片级光源的出射光能够耦合进入微纳光纤，第二连接端的头部与芯片级光探测器的感光面粘接在一起且两者结合处封装于不透光封装物内，微纳光纤中纤芯直径为亚波长尺度的部分被封装。本发明不依赖接口元件，将微纳光纤传感器与芯片级光源和光探测器集成为芯片级器件，并使芯片级光探测器有效探测到微纳光纤的出射光，克服了迄今难以克服的技术障碍。

技术领域

本发明涉及微纳光纤传感器和小型化集成装置，属于光纤传感领域。

背景技术

微纳光纤是近年逐步发展起来的、直径接近或小于其所传输的光的波长的一种新型光纤，被誉为“下一代光纤”，一经报道便引起了学界的广泛关注。微纳光纤的直径可以小至几百纳米，柔性好，弯曲半径可以小至微米量级，在高灵敏度传感方面具有突出优点。根据需求的不同，其长度范围可以从几十微米到几十厘米，甚至更长。这些优良特性使得微纳光纤非常适于制备分布式或者准分布式光纤传感器。

目前，微纳光纤通常使用普通光纤熔融拉锥制成，使拉伸区的纤芯的直径接近或小于所传输的光的波长（即为亚波长尺度）。微纳光纤通常包含腰区、未拉伸区和锥区，其中，在拉伸的中间区域形成芯径较细且均匀的腰区，腰区的两端未被拉伸的区域为未拉伸区，在腰区与未拉伸区之间芯径渐变的区域为锥区。微纳光纤传感器是基于微纳光纤这一新型结构发展而来的传感器，其基本原理为在微纳光纤的腰区制备特殊结构或涂覆特殊材料，形成微纳光纤传感区，从而使这一区域的材料折射率在外界参量（如温度、湿度、应力等）发生改变时同步发生改变，进而影响这一区域的倏逝场光强，最终改变微纳光纤的输出光强。相比于常见的电学传感器而言，微纳光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、柔韧性好等优点，因而在便携式可穿戴设备、机器人触觉等新兴领域具有良好的应用前景。

近年来，在基于微纳光纤的传感领域有较多的成果得到了报道。但整个微纳光纤传感器的应用严重依赖商品化、大尺寸的外置光源和光探测器。由于微纳光纤的拉伸区为亚波长尺度，极为纤细，因此，在实际使用中，目前微纳光纤传感器往往是在微纳光纤两端的未拉伸区（一般为标准通信光纤）借助标准接口元件（如FC接口、SC接口、ST接口等）与商品化、大尺寸的光源和光探测器连接。对便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等微纳光纤传感器的新型应用场景而言，其对传感装置的尺寸小型化、重量轻型化都有较高的要求，传统的商品化、大尺寸光源和光探测器显然并非合适的选择。因此，在这一类场景的微纳光纤传感装置中，芯片级的光源和光探测器就成为了最好的选择。对于芯片级光探测器，由于其感光面很小，很难与光纤直接对准，通常是用来探测不需要对准的空间光（如自然光），若要用于探测普通光纤的出射光，也需要通过上述标准接口元件连接，否则芯片级光探测器难以探测到普通光纤的出射光，无法正常工作。然而，标准接口元件尺寸相对较大，且需要额外与芯片级光探测器进行集成封装，因此并不适宜应用于芯片级的集成场景。如何在不依赖接口元件等大尺寸连接件的情况下，将微纳光纤传感器与芯片级光源和芯片级光探测器集成，使集成之后的传感装置整体仍为芯片级器件，以满足便携式可穿戴设备、机器人触觉皮肤等新型应用场景对传感装置小型化和轻型化的需求，是微纳光纤传感领域迄今尚未得以克服的技术障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于集成微纳光纤传感器的装置，以使集成之后的传感装置整体仍为芯片级。