新型光壓力檢測器可改善機器人皮膚、可穿戴設備和觸摸屏技術

上圖所示，壓力感測器由一系列並排運行的波導組成。當波導之間的間隙變窄時，來自第一通道的光可以耦合進第二通道。較高的壓力使間隙變窄，允許更多的光從通道1移出並進入通道2。

一種新型的基於光的新型壓力感測可有助於實現製造靈敏的人造皮膚，從而為機器人、可佩戴的人體血壓監視器和光學透明觸摸屏和設備提供更好的感測靈敏性。

在光學學會（OSA）的《光學快報Optics Letters》雜誌上，研究人員報告了一種感測器，它通過分析嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的微小通道的光量變化來檢測壓力，這是一種常見類型的有機硅。柔性、透明裝置對平壓也敏感，與以前的壓力感測器相比，不易發生故障。研究人員說，將嵌入的光學感測器整合到大的表面區域也是可行的。

「硅膠片可以放置在顯示屏上，使觸摸屏，或可以被包裝在機器人表面作為一個人工皮膚層的觸覺交互作用，」Suntk Park，他目前在韓國的電子和電信研究所。「考慮到聚二甲基硅氧烷是一種非常著名的生物相容性無毒材料，感測器片甚至可以應用於人體內部或內部，例如，用於監測血壓。」

測量彎曲表面上的壓力分布在空氣動力學和流體動力學等研究領域中是很重要的。Park表示，這些感測器可以用於研究飛機、汽車和船隻表面上的壓力相關效應。

消除干擾

大多數現有的壓力感測器都是基於電子技術的。壓阻感測器，例如，通常被用作加速度計、流量計和空氣壓力感測器，當受到機械應變時，改變它們的電阻。電子系統的問題是，它們會受到來自電源、附近儀器和帶電物體的電磁干擾。它們還含有金屬成分，它們可以阻擋光並受到腐蝕。

「而我們的方法幾乎沒有這些問題，因為感測裝置被嵌入硅橡膠板的中間，」Park說。「與電學方法相比，我們的光學方法特別適用於利用大面積可行性、抗電磁干擾和高視覺透明度的應用。」

光學壓力感測

該裝置通過測量光的傳導，通過精確排列的一對稱為光子隧道結陣列的微型管來工作。「壓敏光子隧道結陣列由光導通道組成，其中外部壓力改變通過它們的光的亮度，」Park說。這與閥門或水龍頭在分流節點上的工作方式類似。」

光學通道或波導，彼此平行運行，並嵌入在聚二甲基硅氧烷。它們的一部分長度足夠接近，通過第一通道1的光可以進入第二通道2。當施加壓力時，聚二甲基硅氧烷被壓縮，改變通道之間的間距，並允許更多的光進入通道2。壓力也會導致聚二甲基硅氧烷折射率的改變，改變光。

光通過一端的光纖進入裝置並被另一個光電二極體收集。隨著壓力的增加，通道2中的光增加，通道1中的光減弱。測量從每個通道遠端發出的光的亮度可以實現壓力值大小的感測測量。

雖然已經開發了其他光學壓力感測器，但這是第一種將感測結構嵌入聚二甲基硅氧烷內的感測器。被嵌入實現保護，免受污染。

把它付諸試驗

為了測試這個裝置，研究人員在感測器的頂部放置了一個「壓榨短截線」，並逐漸增加了壓力。在一個5毫米長的嵌入50微米厚的聚二甲基硅氧烷片材的感測器中，研究人員測量了大約40千帕（KPA）壓力下的140%的光功率變化。這個概念證明表明，該裝置能夠感知壓力低至1千帕，大致相同的靈敏度水平作為人類手指。心跳之間的血壓變化約為5千帕。

Park說，需要幾個步驟來將感測器從實驗室演示轉移到實際設備。一種是開發一種更簡單的方法來連接將光移入感測器的光纖。在開發他們的原型時，研究團隊使用精密對準工具，這將在大多數商業應用中花費太大和耗時。另一種被稱為「尾纖」的方法，電信公司用來將光纖耦合到系統中，這一過程應該更容易。

此外，研究團隊用一維感測器測試了它們的方法，而大多數應用程序需要二維感測器陣列。這可能是通過旋轉一個90度的一維薄片並將其放置在另一個上面，從而形成一個交叉陰影的數組。感測器的大小和它們之間的間距也可能需要針對不同的應用進行優化。

來源：https://phys.org/news/2018-08-optical-pressure-detector-robot-skin.html

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