基于光纤微小谐振器的柔性可穿戴传感器

近年来,可穿戴及灵活的多功能柔性传感器由于其生物医学应用和健康监测的巨大能力,正引起科研人员及医疗应用市场的广泛关注。目前绝大多数都是基于电子类器件的可穿戴传感器,而光纤系统有着长距离通信衰减小,数据容量大等特点,这也就使使得与光纤系统兼容的光纤柔性器件在未来远程健康监测及诊断治疗系统中的信息获取、传输与处理中具有特殊的优势。然而,之前所报道的大多数光纤柔性传感器件都是基于标准商用玻璃光纤或者塑料光纤,其光纤直径较大(约125 μm),传感机制多数依赖于机械应力所导致的弯折而引起的光损耗,这类光学柔性传感器与基于电学的传感器相比,其器件的灵敏度和紧凑性大打折扣,并不能完全体现出光学柔性传感器的优势。此外这类传感器与皮肤的直接接触的舒适感很差,影响使用。为了提高光纤传感器的灵敏度,我们认为可以从光纤传感器的小型化和引入光学结构入手。对于器件小型化,一种可行的方法是采用微光纤,微光纤具有较大的消逝场,极高的灵活性和较强的机械韧性[24]。对于引入光学构,我们可以采用基于微光纤倏逝场耦合的谐振器,如结谐振器,环形谐振器和线圈谐振器等[25-27]。与电学传感器相比,引入光学谐振结构的光纤传感器可以增强光与环境的相互作用,从而大大提高器件的灵敏度。

南京大学的科研人员针对这一问题,进行了一些尝试。基于SPP 混合模式微光纤结形谐振(HPMKR)制作了高灵敏度和可穿戴光学传感器。其中HPMKR 由镀金衬底及位于其上的微光纤谐振器组成,而SPP 混合模式则由微光纤介电模式和金属表面SPP 的耦合形成[33]。我们将HPMKR 嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,使得该器件具有PDMS-HPMKR-PDMS的三明治结构。借助微操作技术[34],制作了多功能传感器,其具有高度敏感和可穿戴的特性。该器件力学灵敏度比普通fibre grating 大一个数量级,对于强磁场免疫,可以较好的贴在人体皮肤上,实时监测人体临床和生理信号,如手腕脉搏、呼吸和手指脉搏等。此外,所获得的信号可以立即被读出并分析展示,或者通过光纤通信系统发送给医生,可以通过分析任何异常细节以进行警报和进一步的诊断。研究人员相信,这种传感器的设计架构可以为低成本,高灵敏度的可穿戴式传感器提供一种可行的思路,并将其应用在智能集成乃至机器人、人机界面交互、触摸式可穿戴显示器和人造皮肤等各种未来人类可拓展的应用场景中。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (https://doi.org/10.1002/admt.201800296)上。