![Werkingsprincipe van de reksensor op basis van MNF-koppeling. (a) Schematisch diagram van een structuur van een spanningssensor. (b), (c) Optische microfoto's van een MNF-koppelaar respectievelijk voor en na een lichte verandering van de opening. De diameter van de MNF is ongeveer 900 nm en de buigradius is 50 m. (d) De reactie van het apparaat op een metronoom op drie verschillende volumes. (e) Meting van de realtime vingertoppulsgolf onder normale omstandigheden (72 slagen per minuut) en na inspanning (85 slagen per minuut). De inzet toont een foto van de sensor die aan de vingertop is bevestigd om de polsslag van de vingertop te testen, en de schaalbalk is 1 cm. Krediet: Compuscript Ltd Zeer gevoelige en snel reagerende reksensor op basis van vluchtig gekoppelde micro-/nanovezels](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2022/highly-sensitive-and-f.jpg)
Werkingsprincipe van de reksensor op basis van MNF-koppeling. (a) Schematisch diagram van een structuur van een spanningssensor. (b), (c) Optische microfoto’s van een MNF-koppelaar respectievelijk voor en na een lichte verandering van de opening. De diameter van de MNF is ongeveer 900 nm en de buigradius is 50 m. (d) De reactie van het apparaat op een metronoom op drie verschillende volumes. (e) Meting van de realtime vingertoppulsgolf onder normale omstandigheden (72 slagen per minuut) en na inspanning (85 slagen per minuut). De inzet toont een foto van de sensor die aan de vingertop is bevestigd om de polsslag van de vingertop te testen, en de schaalbalk is 1 cm. Krediet: Compuscript Ltd
Een nieuwe publicatie van Opto-elektronische vooruitgang bespreekt een zeer gevoelige en snel reagerende optische reksensor.
Spanningssensoren spelen een belangrijke rol in veel toepassingen zoals flexibele elektronica, gezondheidsmonitoring en zachte robotica vanwege hun uitstekende reactie op mechanische vervormingen. Op dit moment richten de gerapporteerde reksensoren zich voornamelijk op hoge rekbaarheid en hoge gevoeligheid onder grote vervorming voor bewegingsdetectie, maar een lage gevoeligheid onder microvervorming (≤1%) kan hun toepassingen in microverplaatsingsdetectie en zwakke fysiologische signaalbewaking beperken.
Onlangs zijn verschillende soorten elektrische spanningssensoren op basis van microstructuren zoals eilandstructuren, percolaties en microscheuren gedemonstreerd voor detectie van fysiologische signalen. De gecompliceerde verwerking en hoge gevoeligheid voor elektromagnetische storingen brengen echter uitdagingen met zich mee voor hun praktische toepassingen. Als alternatief bieden op glasvezel gebaseerde optische sensoren aantrekkelijke voordelen in vergelijking met hun elektronische tegenhangers, waaronder inherente elektrische veiligheid, immuniteit voor elektromagnetische interferentie en kleine afmetingen.
Als een combinatie van glasvezel en nanotechnologie hebben micro/nanovezels (MNF’s) steeds meer onderzoeksinteresse gekregen vanwege hun potentieel in het vernieuwen en uitbreiden van glasvezel en flexibele sensoren op micro/nanoschaal. Vooral optische koppelingen op basis van vluchtig gekoppelde MNF’s is een veelbelovende structuur voor zeer gevoelige optische detectie, aangezien de koppelingsefficiëntie sterk afhankelijk is van de brekingsindex van de omgeving, de koppelingslengte en de opening tussen de twee aangrenzende MNF’s. Onlangs is een zeer gevoelige en snelle respons optische reksensor voorgesteld met twee vluchtig gekoppelde optische micro/nanovezels (MNF’s) ingebed in een polydimethylsiloxaan (PDMS) film.
De reksensor vertoont een meetfactor van wel 64,5 voor rek ≤ 0,5% en een rekresolutie van 0,0012 %, wat overeenkomt met een rek van 120 nm op een apparaat van 1 cm lang. Als proof-of-concept wordt een zeer gevoelige vingertop-pulsmeting gerealiseerd. De eigenschappen van een snelle temporele frequentierespons tot 30 kHz en een drukgevoeligheid van 102 kPa-1 stellen de sensor in staat om geluid te detecteren. Dergelijke veelzijdige sensoren kunnen van groot nut zijn bij fysiologische signaalbewaking, spraakherkenning en detectie van microverplaatsingen.
De auteurs van dit artikel stellen een zeer gevoelige en snelle respons optische spanningssensor voor, zoals weergegeven in figuur 1a. Elke U-vormige MNF heeft een diameter van 0,9 m en een buigradius van 50 m. Aangezien het verdwijnende veld exponentieel vervalt buiten de MNF’s, is de koppelingsefficiëntie erg gevoelig voor de kloof tussen de twee MNF’s. Elke verplaatsing tussen twee MNF’s zal dus worden weerspiegeld bij de verandering van optische intensiteit bij de uitgangspoort, waardoor zeer gevoelige spanningsdetectie wordt gerealiseerd.
De hele structuur is ingebed in een PDMS-film van de juiste dikte om ervoor te zorgen dat de spanning met hoge betrouwbaarheid naar de sensor wordt getransduceerd. De PDMS-film kan het detectiegebied van de lucht isoleren, waardoor onvoorspelbare signaalinterferentie veroorzaakt door stofafzetting en andere externe omgevingsveranderingen wordt vermeden. Figuur 1b en c laten zien dat zo’n koppelaar gevoelig is voor spleetbreedtes, aangezien de outputintensiteit dramatisch verandert wanneer de spleetbreedte iets verandert. De speciaal ontworpen MNF-structuur en de flexibiliteit van PDMS geven de sensor een hoge gevoeligheid en goede ductiliteit.
De sensor bereikte een meetfactor van 64,5 in het bereik van 0-0,1% spanning, en een snelle temporele frequentierespons tot 30 kHz voor geluidsdetectie. De sensor kan ook detectie van geluidstrillingen uitvoeren (Figuur 1d) en realtime monitoring van de menselijke vingertoppuls (Figuur 1e). Daarnaast heeft de sensor eigenschappen als een eenvoudige apparaatstructuur, weinig vraag naar lichtbron en detector. Bovendien kunnen, door gebruik te maken van de golflengte-ongevoelige apparaatrespons, de halogeen-wolfraamlamp en spectrometer die in de experimenten worden gebruikt, worden vervangen door kosteneffectieve apparaten, zoals respectievelijk een LED en een fotodiode, wat gunstig is voor een draagbaar zwak fysiologisch signaaldetectiesysteem.
De voorgestelde nieuwe sensor zou een eenvoudige weg openen naar goedkope, gevoelige multifunctionele flexibele sensoren met een groot potentieel in medische gezondheidsmonitoring, spraakherkenning en detectie van microverplaatsingen.
Wen Yu et al, Zeer gevoelige en snel reagerende spanningssensor op basis van vluchtig gekoppelde micro/nanovezels, Opto-elektronische vooruitgang (2022). DOI: 10.29026/oea.2022.210101
Geleverd door Compuscript Ltd