一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法

本发明涉及一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法。

背景技术：

1、触觉传感器在人机交互领域扮演着至关重要的角色，将触觉传感器与智能机器人相结合成为了当前一个重要的发展方向。根据传感原理的不同又可将触觉传感器分为电学触觉传感器和光学触觉传感器两类。电学触觉传感器主要基于压阻原理和压电原理，通过测量其电阻值或电容值的变化从而实现触觉信号的检测。电学触觉传感器的发展日益成熟，但是其易受电磁干扰的缺点始终无法克服，光学触觉传感器的出现为触觉传感器提供了一种新的途径。早期的光学触觉传感器是由光纤传感器制成的，但是光纤传感器集成度较低。随着光子集成技术的发展，基于硅材料的光波导触觉传感器应运而生，此类传感器的集成度较高。然而，由于硅材料的材料限制(高杨氏模量)，硅基触觉传感器很难获得高的灵敏度且不易与直接应用于智能机器人。

2、现有的光波导触觉传感器主要是基于马赫-曾德尔干涉仪、波导布拉格光栅或微环谐振腔结构，这些传感器传感方式都是通过检测波长的偏移量来表征触觉信号，此类传感器需要引入波长解调系统才能检测光强的变化。

3、因此，如何制备出一种通过光强直接表征触觉信号的柔性、高灵敏度的触觉传感器，便成为了本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提供一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法，该制备方法获得的触觉传感器灵敏度高、输出线性度好、易于集成，具有柔性。

2、本发明利用以下技术方案实现：

3、一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法，所述微环光波导器件阵列触觉传感器包括上、下包层和设置在上、下包层之间的芯层，所述的微环光波导器件阵列设置在芯层，所述制备方法包括以下步骤：

4、第一步、选择低杨氏模量的材料体系：上、下包层材料的杨氏模量为1.5-2.5mpa，芯层材料的杨氏模量为2.0-3.5gpa；芯层材料折射率与包层材料折射率差不小于0.09；

5、第二步、确定各层厚度：上、下包层厚度为5-20μm，芯层厚度为0.5-1.2μm；

6、第三步、确定微环光波导器件的结构参数：

7、所述的微环光波导器件阵列由m×n个微环光波导器件组成的阵列构成，所述微环光波导器件包括左、右两个直波导和设置在左、右两个直波导之间的同排设置的偶数个微环光波导，所述的微环光波导为由左、右耦合波导和上、下环形波导围成的封闭跑道型微环光波导；

8、设置环形波导的半径为150-200μm；

9、在任意耦合长度下利用光波导仿真软件进行参数化扫描得到耦合效率与耦合间隙的关系曲线，选择耦合效率最大时对应的耦合间隙；

10、在确定耦合间隙后，在此耦合间隙下利用光波导仿真软件进行参数化扫描得到耦合效率与耦合长度的关系曲线，选择耦合效率最大时对应的耦合长度；

11、判断所选择的耦合间隙和耦合长度下的微环光波导器件的耦合效率是否不小于92％，若是，则微环光波导器件按此耦合间隙和耦合长度确定结构形式，微环光波导器件在1500-1600nm的波长范围内不产生谐振，若否，则重新调整耦合长度；

12、第四步、构建微环光波导器件阵列：根据m、n的大小，m×n个第三步确定的微环光波导器件组成微环光波导器件阵列，设置能使每一行、每一列的微环光波导器件之间的光不互相耦合的相邻微环光波导器件间隔，同一列的微环光波导器件的左、右两个直波导分别顺次连接；

13、第五步、旋涂下包层，在下包层上旋涂芯层材料，根据第四步确定的微环光波导器件阵列结构在芯层材料上刻蚀出微环光波导器件阵列；最后旋涂上包层，获得微环光波导器件阵列触觉传感器。

14、所述芯层材料采用pmma，厚度为1μm，包层材料采用pdms，厚度为10μm；所述相邻微环光波导器件间隔为20-100μm。

15、所述微环光波导的数量为2个或4个；所述耦合间隙为1.26μm，耦合波导长度为58μm。

16、本发明保护采用所述的制备方法获得的微环光波导器件阵列触觉传感器。

17、本发明还保护一种微环光波导器件阵列触觉传感器，所述微环光波导器件阵列触觉传感器包括上、下包层和设置在上、下包层之间的芯层，所述芯层采用微环光波导器件阵列；

18、所述的微环光波导器件阵列由m×n个微环光波导器件组成的阵列构成，所述微环光波导器件包括左、右两个直波导和设置在左、右两个直波导之间的同排设置的偶数个微环光波导，所述的微环光波导为由左、右耦合波导和上、下环形波导围成的封闭跑道型微环光波导；

19、所述微环光波导器件在1500-1600nm的波长范围内不产生谐振，可以通过光强直接表征触觉信号；

20、m×n个微环光波导器件组成微环光波导器件阵列，设置能使每一行、每一列的微环光波导器件之间的光不互相耦合的相邻微环光波导器件间隔，同一列的微环光波导器件的左、右两个直波导分别顺次连接；

21、或者同一列的微环光波导器件共用左右两个直波导。

22、所述的上、下包层选用杨氏模量为1.5-2.5mpa的柔性聚合物材料制成，上、下包层厚度为5-20μm，所述芯层选用的杨氏模量为2.0-3.5gpa的柔性聚合物材料制成，芯层厚度为0.5-1.2μm。

23、所述的直波导与耦合波导的耦合间隙为1.26μm，耦合波导的耦合长度为58μm，微环光波导器件阵列触觉传感器的耦合效率不小于92％，优选为95-98％，所述的微环半径为150-200μm。

24、所述的微环光波导器件阵列触觉传感器检测范围为0-60kpa，在0-60kpa范围内具有较高的灵敏度，灵敏度不小于78μw/kpa，且具有高分辨率，分辨率为不大于0.5kpa。

25、所述触觉传感器能用于人体脉搏检测。触觉信号为检测到的脉搏变化。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明为一种由聚合物基材料制成的高灵敏度、输出线性度好、能通过光强直接表征触觉信号的触觉传感器的制备方法，触觉传感器的芯层采用微环光波导器件阵列制成，避免了传统电学触觉传感器抗电磁干扰能力弱等缺点；同时也能避免采用硅基材料制成的触觉传感光子器件杨氏模量高、灵敏度低的缺点，能够实现基于光学技术的高灵敏度触觉检测。

28、本发明中微环光波导器件阵列触觉传感器采用的是带有耦合波导和环形波导的微环光波导，微环光波导器件阵列在与待测对象接触时环形波导的半径会发生改变，从而改变微环光波导器件阵列输出光功率的变化，微环光波导器件阵列触觉传感器在1550nm波长附近不产生谐振，微环光波导器件阵列触觉传感器的输出光功率与触觉信号呈线性关系。引入微环光波导器件阵列，大大提升了触觉传感器的测量能力。

技术特征：

1.一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述微环光波导器件阵列触觉传感器包括上、下包层和设置在上、下包层之间的芯层，所述的微环光波导器件阵列设置在芯层，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芯层材料采用pmma，厚度为1μm，包层材料采用pdms，厚度为10μm；所述相邻微环光波导器件间隔为20-100μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微环光波导的数量为2个或4个；所述耦合间隙为1.26μm，耦合波导长度为58μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的微环光波导器件阵列触觉传感器的检测范围为0-60kpa，在0-60kpa范围内灵敏度不小于78μw/kpa，分辨率不大于0.5kpa。

5.一种采用权利要求1所述的制备方法获得的微环光波导器件阵列触觉传感器。

6.一种微环光波导器件阵列触觉传感器，所述微环光波导器件阵列触觉传感器包括上、下包层和设置在上、下包层之间的芯层，其特征在于，所述芯层采用微环光波导器件阵列；

7.根据权利要求6所述的微环光波导器件阵列触觉传感器，其特征在于，所述触觉传感器能用于人体脉搏检测。

技术总结
本发明公开了一种微环光波导器件阵列触觉传感器的制备方法，其中：所述的微环光波导器件阵列是由M×N个微环光波导器件组成的阵列，所述的微环光波导器件阵列触觉传感器采用低杨氏模量的聚合物材料制成，在与待测对象接触时环形波导的半径会发生改变，从而改变微环光波导器件阵列输出光功率的变化；输出光功率的变化与弯曲程度呈线性关系。本发明制备方法获得的微环光波导器件阵列触觉传感器在1550nm波长附近不产生谐振，可以通过光强直接表征触觉信号。

技术研发人员：李鸿强,林志琳,马帅,谢芳琳,任峰,张立震,赵瑞娜,宋震亚,王英杰
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16