Sensor de voltaje de respuesta rápida y alta sensibilidad basado en micro/nanofibras acopladas evanescentemente

Una nueva publicación de Avances optoelectrónicos analiza un sensor óptico de tensión de respuesta rápida y alta sensibilidad.

Los sensores de deformación desempeñan un papel importante en muchas aplicaciones, como la electrónica flexible, el control de la salud y la robótica ligera, debido a su excelente respuesta a la deformación mecánica. Actualmente, los sensores de deformación informados se centran principalmente en una alta elasticidad y una alta sensibilidad bajo una gran deformación para la detección de movimiento, pero la baja sensibilidad bajo una microdeformación (≤1 %) puede limitar sus aplicaciones en la detección de microdesplazamientos y el control de señales fisiológicas débiles.

Recientemente, se ha demostrado que varios tipos de sensores de tensión eléctrica basados ​​en microestructuras, como estructuras de islas, filtraciones y microfisuras, detectan señales fisiológicas. Sin embargo, el procesamiento complicado y la alta sensibilidad a las perturbaciones electromagnéticas presentan desafíos para sus aplicaciones prácticas. Alternativamente, a base de fibra sensores ópticos ofrecen ventajas convincentes sobre sus contrapartes electrónicas, incluida la seguridad eléctrica inherente, la inmunidad a interferencia electromagneticay tamaño pequeño.

Como una combinación de fibra óptica y nanotecnología, las micro/nanofibras (MNF) están atrayendo un creciente interés de investigación debido a su potencial para renovar y expandir fibra óptica y sensores flexibles de escala micro/nano. Especialmente, el acoplador óptico basado en MNF acoplados evanescentemente es una estructura prometedora para la detección óptica altamente sensible, ya que la eficiencia del acoplamiento depende en gran medida del índice de refracción ambiental, la longitud del acoplamiento y la brecha entre los dos MNF adyacentes. Recientemente, se propone un sensor óptico de deformación de alta sensibilidad y respuesta rápida con dos micro/nanofibras ópticas (MNF) acopladas evanescentemente incrustadas en una película de polidimetilsiloxano (PDMS).

El sensor de deformación exhibe un factor de medición tan alto como 64,5 para deformación ≤ 0,5 % y una resolución de deformación de 0,0012 % que corresponde a un alargamiento de 120 nm en un dispositivo de 1 cm de largo. Como prueba de concepto, se realiza una medición del pulso en la yema del dedo de alta sensibilidad. Las propiedades de respuesta de frecuencia temporal rápida de hasta 30 kHz y una sensibilidad a la presión de 102 kPa-1 permiten que el sensor detecte el sonido. Estos sensores versátiles pueden ser de gran utilidad para monitorear señales fisiológicas, reconocimiento de voz y detección de micro-desplazamiento.

Los autores de este artículo proponen un sensor de deformación óptica altamente sensible y de respuesta rápida, como se muestra en la Figura 1a. Cada MNF en forma de U tiene un diámetro de 0,9 μm y un radio de curvatura de 50 μm. Como el campo evanescente decae exponencialmente fuera de las MNF, la eficiencia de acoplamiento es muy sensible a la brecha entre las dos MNF. Por lo tanto, cualquier desplazamiento entre dos MNF se reflejará en el cambio de intensidad óptica en el puerto de salida, realizando así una detección de deformación altamente sensible.

Toda la estructura está incrustada en una película de PDMS de espesor adecuado para garantizar que la deformación se transduzca al sensor con alta fidelidad. La película PDMS puede aislar la región de detección del aire, evitando así la interferencia de señal impredecible causada por la deposición de polvo y otros cambios ambientales externos. Las figuras 1b y c muestran que dicho acoplador es sensible a los anchos de los espacios, ya que la intensidad de salida cambia drásticamente cuando el ancho del espacio cambia ligeramente. La estructura MNF especialmente diseñada y la flexibilidad del PDMS dan al sensor alta sensibilidad y buena ductilidad.

El sensor logró un factor de medición de 64,5 en el rango de voltaje de 0 a 0,1 % y una respuesta de frecuencia temporal rápida de hasta 30 kHz para la detección de sonido. El sensor también puede realizar detección de vibración de sonido (Figura 1d) y monitoreo en tiempo real del pulso de la yema del dedo humano (Figura 1e). Además, el sensor tiene propiedades tales como estructura de dispositivo simple, fuente de luz baja y solicitud de detector. Además, aprovechando la respuesta del dispositivo insensible a la longitud de onda, la lámpara halógena de tungsteno y el espectrómetro utilizados en los experimentos pueden reemplazarse por dispositivos rentables como un LED y un fotodiodo, respectivamente, lo que es favorable para el sistema de tecnología portátil débil. detección de señales fisiológicas.

El nuevo sensor propuesto abriría una ruta simple hacia dispositivos multifunción sensibles de bajo costo. sensores flexibles con gran potencial en monitorización médica de la salud, reconocimiento de voz y detección de microdesplazamientos.

Proporcionado por Compuscript Ltd.