據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,，韓國(guó)科學(xué)家研發(fā)出一種基于光照的新型壓力傳感器,，它可以創(chuàng)建更為敏感的人造皮膚，使機(jī)器人,、可穿戴人體血壓監(jiān)測(cè)儀和光學(xué)透明的觸摸屏及設(shè)備更好的觸摸感,。
研究人員在光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的期刊Optics Letters上報(bào)告了這種新型壓力傳感器,。該傳感器通過(guò)分析嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS，一種常見(jiàn)的有機(jī)硅）中的微小隧道的光量變化來(lái)檢測(cè)壓力,。研究人員表示,，與之前的壓力傳感器相比，哪怕是非常輕微的壓力,，這種靈活,、透明的設(shè)備也能感應(yīng)到，而且不易發(fā)生故障,，因此將嵌入式光學(xué)傳感器穿過(guò)大面積區(qū)域也是可行的,。
韓國(guó)大田電子和電信研究所的Suntak Park說(shuō)：“有機(jī)硅片可以放在顯示器面板上以啟用觸摸屏，或者可以作為人造皮膚層包裹在機(jī)器人表面,，用于觸覺(jué)交互,。考慮到PDMS是一種非常知名的生物兼容且無(wú)毒的材料,，傳感器片甚至可以應(yīng)用于人體上或人體內(nèi)部,，例如，可用于人體血壓監(jiān)測(cè),?！?/p>
在諸如空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域，測(cè)量曲面上的壓力分布非常重要,。Park表示,，該傳感器可用于研究飛機(jī)、汽車和船舶表面的壓力效應(yīng),。
避免干擾
如今現(xiàn)有的壓力傳感器大多數(shù)都是基于電子器件的,。例如，通常用作加速度計(jì),、流量計(jì)和氣壓傳感器的壓阻傳感器,，在受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)會(huì)改變其電阻大小,。而電子系統(tǒng)的問(wèn)題在于它們可能會(huì)受到來(lái)自電源、附近儀器和帶電物體的電磁干擾,。它們還含有金屬成分,，可以阻擋光線進(jìn)入并受到侵蝕。
“我們的傳感器就不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題,，因?yàn)閭鞲醒b置嵌入在硅橡膠板中間,。”Park說(shuō),，“與電氣方法相比,，我們的光學(xué)方法更適用于大面積的、抗電磁干擾和高視覺(jué)透明度的應(yīng)用,?！?/p>
利用光照感測(cè)壓力
文章開(kāi)頭提到的裝置的工作原理是通過(guò)精確排列的一對(duì)微管（即光子隧道結(jié)陣列）來(lái)測(cè)量光的流動(dòng)?！皦好艄庾铀淼澜Y(jié)陣列由光導(dǎo)通道組成,，外部壓力會(huì)改變通過(guò)它們傳輸?shù)墓獾牧炼取,！盤ark說(shuō),，“這就類似于閥門或水龍頭在分流節(jié)點(diǎn)上的工作方式?！?/p>
這些管道或波導(dǎo)彼此平行嵌入在PDMS中,。有一部分管道之間距離足夠近，就能夠使通過(guò)第一管道（通道1）的光進(jìn)入到第二通道（通道2）,。當(dāng)施加壓力時(shí)，PDMS被壓縮,，就可以改變通道之間的間距,，那么會(huì)有更多的光進(jìn)入通道2。同時(shí),，壓力的增加還會(huì)引起PDMS中光線折射率的改變,。
光線通過(guò)一端的光纖進(jìn)入設(shè)備，由另一端的光電二極管收集,。隨著壓力的增加,，通道1中的光線越來(lái)越少，更多的光線涌入到通道2中,。通過(guò)測(cè)量來(lái)自每條通道遠(yuǎn)端的光的亮度,，研究人員可以知曉施加了多少壓力。
雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了其他光學(xué)壓力傳感器,，但這是第一個(gè)將傳感結(jié)構(gòu)嵌入到PDMS內(nèi)的器件,。而嵌入式設(shè)備可以保護(hù)系統(tǒng)免受侵害,。
測(cè)試結(jié)果
為了測(cè)試該裝置，研究人員在傳感器頂部放置了一個(gè)“壓力觸點(diǎn)”并逐漸增加壓力,。在一個(gè)長(zhǎng)度為5mm的傳感器中嵌入50μm厚的PDMS板,，研究人員在大約40千帕（kPa）的壓力下，測(cè)量出光學(xué)功率的變化為140%,。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,，該裝置能夠檢測(cè)低至1kPa的壓力，與人類手指的敏感度大致相同,。而心跳之間的血壓變化約為5千帕,，因此該裝置完全可用于人體血壓監(jiān)測(cè)。
Park說(shuō),，我們需要采取幾個(gè)步驟讓傳感器從實(shí)驗(yàn)室走出,，應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備上。一是開(kāi)發(fā)一種更簡(jiǎn)單的方式來(lái)連接將光線移入和移出傳感器的光纖,。在開(kāi)發(fā)原型時(shí),，研究小組就使用了精密校準(zhǔn)工具，不過(guò)這對(duì)于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴和耗時(shí),。如今有一種被稱為尾纖的替代方法,，電信公司用它來(lái)耦合系統(tǒng)中的光纖，應(yīng)該會(huì)讓這個(gè)過(guò)程更容易一點(diǎn),。
此外,，該小組還使用了一維傳感器測(cè)試了他們的設(shè)備，而大多數(shù)應(yīng)用需要二維傳感器陣列,。該測(cè)試通過(guò)將一維薄片旋轉(zhuǎn)90度,，再將其放置在另一個(gè)薄片上面，從而創(chuàng)建交叉陰影陣列來(lái)實(shí)現(xiàn),。傳感器的尺寸和間距需要針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行改變或優(yōu)化,。