Una nueva publicación de Avances optoelectrónicos analiza un sensor óptico de deformación de respuesta rápida y altamente sensible.

Los sensores de deformación juegan un papel importante en muchas aplicaciones, como la electrónica flexible, el control de la salud y la robótica blanda, debido a su excelente respuesta a las deformaciones mecánicas. En la actualidad, los sensores de deformación informados se centran principalmente en una alta capacidad de estiramiento y alta sensibilidad bajo gran deformación para la detección de movimiento, pero la baja sensibilidad bajo microdeformación (≤1 %) puede limitar sus aplicaciones en la detección de microdesplazamiento y el monitoreo de señales fisiológicas débiles.

Recientemente, se han demostrado varios tipos de sensores eléctricos de deformación basados ​​en microestructuras, como estructuras de islas, percolaciones y microfisuras, para la detección de 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 atractivas en comparación con sus contrapartes electrónicas, incluida la seguridad eléctrica inherente, la inmunidad a interferencia electromagnetica, y tamaño pequeño.

Como una combinación de fibra óptica y nanotecnología, las micro/nanofibras (MNF) han atraído un creciente interés de investigación debido a su potencial para renovar y expandir fibra óptica y sensores flexibles en 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 de deformación óptica de respuesta rápida y alta sensibilidad con dos micro/nanofibras ópticas (MNF) acopladas evanescentemente incrustadas en una película de polidimetilsiloxano (PDMS).

El sensor de deformación exhibe un factor de calibre 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 tan versátiles podrían ser de gran utilidad en la monitorización de señales fisiológicas, de reconocimiento de voz y detección de micro-desplazamiento.

Los autores de este artículo proponen un sensor óptico de deformación de alta sensibilidad y 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, logrando así una detección de tensión altamente sensible.

Toda la estructura está incrustada en una película de PDMS de espesor adecuado para garantizar que la tensión 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 un acoplador de este tipo 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 de PDMS dotan al sensor de alta sensibilidad y buena ductilidad.

El sensor logró un factor de calibre de 64.5 en el rango de tensión 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 vibraciones de sonido (Figura 1d) y monitoreo en tiempo real del pulso de la yema del dedo humano (Figura 1e). Además, el sensor tiene propiedades como estructura de dispositivo simple, baja solicitud de fuente de luz y 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 portátil de detección de señales fisiológicas débiles.

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

Proporcionado por
Compuscript Ltd.