一种光波导结构的双模三轴应力传感器及其制备方法

1.本发明涉及应力传感器技术领域，具体是一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.应力传感器是传感器领域中较为常见的一种传感器，常见的应力传感器都是通过其电学信号与应力大小之间建立对应关系进行传感。目前应力传感器的特性响应曲线基本为线性设计，应力大小与电信号强弱之间成正比关系。这意味可能在针对小应力进行测量所获得的电信号较小，使得变送电路对于微弱信号的提取能力要求更高了。而为了提高信噪比，另一部分传感器的结构设置了一个垫片结构，使得传感材料在未受应力时处于非导通状态，当受到应力作用时直接与电极接通，构成导通回路。
3.虽然这类传感器能够实现超大的电学变化量，但其垫片是具有一定的高度，从而引入了一个最小响应应力阈值，只有外界应力大于该阈值，传感器才有响应，使得无法针对非常微弱应力的高精度测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.本发明的技术方案是：一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器，包括pdms和设置于pdms内部的金属铝夹层，所述金属铝夹层为长条矩形状，且金属铝夹层中间设置有齿型空隙，所述齿型空隙由多个截面为平行四边形长条构成。
6.一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合均匀，之后在常温环境下静置，待混合液中气泡消失后，pdms溶液制备完成；
8.s2、将s1中形成的pdms溶液倒入亚克力板制作的长矩形模具中，固化，将固化后的pdms从亚克力板模具中取出作为基底；
9.s3、将pva颗粒与去离子水混合，再进行水浴加热直至融化；
10.s4、将融化后的pva转移至pdms基底待pva冷缺凝固后作为掩膜，随后通过磁控溅射法镀上厚度200-800nm的铝层；
11.s5、将s4中制备的样品置于去离子水中超声清洗30s，待pva溶解后，未被pva覆盖部分的铝保留下来，形成了中间带有由多个截面为平行四边形长条构成的齿型空隙的长矩形金属铝；
12.s6、待s5的样品完全干燥后，将其转移至另一个略大的亚克力板长矩形模具中，并将s1中的pdms溶液倒入，固化后取出，即可得到pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和
等离激元的双模三轴应力传感器。
13.优选的，s1中，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂的配置比例为10:1。
14.优选的，s2中，将装有pdms溶液的长矩形模具放入80℃恒温箱中固化4小时，s6中，将装有长矩形金属铝的长矩形模具同样放入80℃恒温箱中固化4小时。
15.优选的，s3中，按pva颗粒与去离子水1:1的比例混合，再放入90℃的水中水浴加热直至融化。
16.本发明通过改进在此提供一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器及其制备方法，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
17.本发明由pdms、设置于pdms内部的长矩形金属铝夹层组成，金属铝夹层中间有条由多个截面为平行四边形长条构成的齿型空隙，使用柔性材料pdms作为基底保证应力能够在x—y—z三维方向上有效采集的同时，利用fabry-perot微腔和gap-spp作为传感模式，相当于一个放大器，放大由微小应力产生的pdms形变。另一方面，pdms/al/pdms夹层结构作为光波导，让光信号可在其内部传输，从而将应力信号转变为光信号，并在al的齿型裂缝处的z方向形成fabry-perot，在x、y方向形成gap-spp，从而极大的提高应力检测的灵敏度。基于这种结构设计的灵力传感器以pdms最为基底，同时具有高稳定、低外界干扰的特性，同时微小轻便，易于佩戴。相比于现有应力传感器，本发明中的结构和制备方法具有高灵敏度，高可靠性，低成本，体积小，功耗低，易于佩戴等特点。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释：
19.图1为本发明应力传感器的俯视图截面示意图；
20.图2为本发明应力传感器的截面(z-y方向)示意图；
21.图3为本发明应力传感器的截面(z-x方向)示意图；
22.图4为本发明应力传感器的制备方法流程图；
23.图5为本发明应力传感器的光在pdms波导中传播示意图；
24.图6为本发明应力传感器在不同方向上产生应力的示意图；
25.图7为本发明应力传感器的波长-反射关率系示意图。
具体实施方式
26.下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.为了实现微弱信号的提取，并提高其灵敏度，建立光信号和应力大小之间的关系是一种更好的选择。基于此，提出了一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器，如图1、图2和图3所示，该应力传感器包括pdms和设置于pdms内部的长矩形金属铝夹层，金属铝夹层中间有多个小矩形构成的齿型空隙。
28.如图4所示，一种基于pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器的制备方法，包括以下步骤：
29.s1、按聚二甲基硅氧烷与固化剂10:1的比例进行配置，并充分搅拌均匀直至二甲基硅氧烷与固化剂彻底混合，之后在常温环境下静置，待混合液中气泡完全消失后，pdms溶液制备完成；
30.s2、将s1中形成的pdms溶液倒入亚克力板制作的长矩形模具中，并放入80℃恒温箱中固化4小时，将固化后的pdms从亚克力板模具中取出作为基底；
31.s3、pva颗粒与去离子水1:1的比例混合，再放入90℃的水中水浴加热直至融化。将融化后的pva转移至pdms基底待pva冷却凝固后作为掩膜，随后通过磁控溅射法镀上厚度200nm的铝层；
32.s4、将s3中制备的样品，置于去离子水中超声清洗30s，待pva溶解于水后，未被pva覆盖部分的铝保留下来，形成了中间带有由多个截面为平行四边形长条构成的齿型空隙金属铝；
33.s5、待s4中的样品完全干燥后，将其转移至另一个略大的亚克力板长矩形模具中，并将s1中的pdms溶液倒入，放入80℃恒温箱中固化4小时后取出，即可得到pdms/al/pdms光波导结构的fabry-perot和等离激元的双模三轴应力传感器。
34.经由实验得到：如图5为该应力传感器的光在pdms波导中传播示意图，图6为该应力传感器在不同方向上产生应力的示意图，图7为该应力传感器的波长-反射关率系示意图。
35.在使用柔性材料pdms作为基底保证应力能够在x—y—z三维方向上有效采集的同时，利用fabry-perot微腔和gap-spp作为传感模式，相当于一个放大器，放大由微小应力产生的pdms形变。另一方面，pdms/al/pdms夹层结构作为光波导，让光信号可在其内部传输，从而将应力信号转变为光信号，并在al的齿型裂缝处的z方向形成fabry-perot，在x、y方向形成gap-spp，从而极大的提高应力检测的灵敏度。基于这种结构设计的灵力传感器以pdms最为基底，同时具有高稳定、低外界干扰的特性，同时微小轻便，易于佩戴。相比于现有应力传感器，本发明中的结构和制备方法具有高灵敏度，高可靠性，低成本，体积小，功耗低，易于佩戴等特点。
36.上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。