一种超紧凑光纤微力和温度解耦传感器

本发明属于光纤传感，具体涉及一种超紧凑光纤微力和温度解耦传感器及其制备方法。

背景技术：

1、微纳力的测量作为生物识别、药物筛选、材料表征等领域的重要检测手段，影响着绝大部分的科学研究。为应对日新月异的测量需求，提出了各种电容、电阻、压电式的力传感器。然而，较差的抗电磁干扰性和需要费力操作的庞大系统使这类传感器的应用场景具有局限性。光纤以其超紧凑、低成本和抗电磁干扰等优势，成为了实现力传感器小型化、轻量化和集成化的热门方案。诸如光纤布拉格光栅、光纤法布里珀罗干涉仪、微纳光纤、光纤模式干涉仪、光纤萨格纳克干涉仪等各类光纤力传感器被提出，用于液体表面张力、材料刚度等物理量的测量。

2、氢氟酸腐蚀和熔融拉锥等方式被用于减小光纤直径或薄膜厚度来实现光纤力传感器的增敏。然而，受限于硅材料较高的杨氏模量，导致传感元件在受到力作用时，仍无法做出高灵敏的响应，光纤力传感器的灵敏度和分辨率普遍有限。另外，利用具有较低杨氏模量的超弹性高分子材料形成传感元件也能实现光纤力传感器的增敏。但是，在已经探索的大部分聚合物传感元件和光纤的结合方法中，聚合物往往无法被制造成任意形状，这有碍于光纤传感器性能的进一步提高和功能性的拓展。

3、双光子聚合三维打印技术可直接在光纤基底上制备聚合物材质的传感元件，具有灵活、高分辨率的优点。典型的力学元件如简支梁和悬臂梁被打印在光纤端面，用于各种微纳力的测量，具有高灵敏度的优势。然而，聚合物材质普遍具有较高的热光系数和热膨胀系数，这使得聚合物传感元件容易受到环境温度的影响。现阶段，光纤端面打印的微纳结构普遍是单一功能性的，其无法规避环境中其他的因素对其传感性能的影响。

4、多芯光纤的光纤端面排布着多个独立的光通道，具有高集成度和空分复用的优势，是制备多个光纤传感元件的超紧凑平台。因此，利用双光子聚合三维打印技术在多芯光纤端面分别制备对微力和温度敏感的传感元件，可实现超紧凑、高灵敏度的力和温度解耦传感，消除温度对力测量的串扰，对提高光纤力传感器的测量精度意义重大。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超紧凑和高灵敏度的光纤微力和温度解耦传感器及其制备方法。

2、本发明提出的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其结构如图1所示；具体包括：多芯光纤、微悬臂梁探针和微腔探针；其中：

3、所述多芯光纤，包括包层和多个作为光传输通道的纤芯；

4、所述微悬臂梁探针，包括支撑块、微悬臂梁和微柱；所述支撑块设置于所述多芯光纤的端面上、非光传输通道处；所述微悬臂梁的一端与支撑块连接固定，另一端悬空，且微悬臂梁与多芯光纤端面平行，所述微柱位于微悬臂梁悬空端上方，并与微悬臂梁悬垂直，位于某根纤芯上方；微柱用于响应微力；

5、所述微悬臂梁探针形成光纤法布里珀罗干涉仪；当微柱受到微力，使悬空的微悬臂梁偏转，从而改变形成法布里珀罗干涉仪的两束相干光之间的光程差，引起干涉光谱的漂移，通过监测干涉谐振波长的漂移，可以实时解调所施加微力的变化；

6、所述微腔探针，是一个周壁固化的空腔体，空腔内填充有高热敏性聚合物，所述空腔体位于所述多芯光纤的端面上、另一根纤芯的上方；

7、所述微腔探针形成聚合物介质的法布里珀罗干涉仪；当环境中温度变化时，高热敏性聚合物由于高热膨胀系数和高热光系数的特性发生体积以及折射率的变化，从而改变形成法布里珀罗干涉仪的两束相干光之间的光程差，引起干涉光谱的漂移，通过监测干涉谐振波长的漂移，可以实时解调环境中温度的变化。

8、进一步地，所述微悬臂梁探针和周壁固化的空腔体由飞秒激光诱导的双光子聚合三维打印技术在多芯光纤端面打印而成。

9、进一步地，所述微悬臂梁探针高度大于微腔探针高度，以便微力的测量。

10、进一步地，所述多芯光纤的纤芯数为n，n≥2；例如为2、3、4或5，等等。

11、进一步地，所述微悬臂梁探针的结构参数为：支撑块：长宽5-100μm，高5-150μm，微悬臂梁：长宽5-100μm，厚1-20μm，微柱：直径1-20μm，高5-100μm。

12、进一步地，所述微腔探针的结构参数为：外壁长宽5-100μm、壁厚1-20μm、高5-100μm。

13、本发明还提供上述超紧凑光纤微力和温度解耦传感器的制备方法，具体步骤为：

14、(1)设计微悬臂梁探针和微腔探针；

15、(2)利用飞秒激光三维打印技术在多芯光纤端面对步骤(1)中所设计的微腔探针实施打印，并对所打印的多芯光纤端面微腔探针进行显影；

16、(3)对步骤(2)中显影完的仅四周固化的空腔进行聚合物的填充，并进行热固化；

17、(4)利用飞秒激光三维打印技术对步骤(3)中已热固化微腔探针的样品实施步骤(1)中所设计微悬臂梁探针的打印，并对所打印的多芯光纤端面微悬臂梁探针进行显影。

18、本发明提出的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，通过飞秒激光诱导的双光子聚合三维打印技术在多芯光纤端面打印微腔探针的四周轮廓和微悬臂梁探针，微悬臂梁探针顶部具有微柱，可响应微力，微腔探针内部填充高热敏性聚合物，可高灵敏的响应温度变化，并通过将这两个传感探针分别并联参考腔，引入光学游标效应，进一步成倍数地提高微力和温度灵敏度。该光纤微力和温度解耦传感器，以超紧凑的体积实现高灵敏度的多参量测量，可广泛用于材料、生物细胞等领域的精准测量。

技术特征：

1.一种超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于，具体包括：多芯光纤、微悬臂梁探针和微腔探针；其中：

2.根据权利要求1所述的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于，所述微悬臂梁探针和周壁固化的空腔体由飞秒激光诱导的双光子聚合三维打印技术在多芯光纤端面打印而成。

4.根据权利要求1所述的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于，所述微悬臂梁探针高度大于微腔探针高度，以便微力的测量。

5.根据权利要求1所述的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于，所述多芯光纤的纤芯数为n，n≥2。

6.根据权利要求1所述的超紧凑光纤微力和温度解耦传感器，其特征在于，所述微悬臂梁探针的结构参数为：支撑块：长宽5-100μm，高5-150μm；微悬臂梁：长宽5-100μm，厚1-20μm；微柱：直径1-20μm，高5-100μm；所述微腔探针的结构参数为：外壁长宽5-100μm，壁厚1-20μm，高5-100μm。

7.如权利要求1-6之一所述超紧凑光纤微力和温度解耦传感器的制备方法，具体步骤为：

技术总结
本发明属于光纤传感技术领域，具体为一种超紧凑光纤微力和温度解耦传感器及其制备方法。本发明传感器包括：多芯光纤；位于多芯光纤端面的顶部带微柱的微悬臂梁探针；位于多芯光纤端面的内部填充高热敏性聚合物的微腔探针。微腔探针的空腔体和微悬臂梁探针由飞秒激光诱导的双光子聚合技术在光纤端面打印而成；微悬臂梁探针可灵敏地感知施加在微柱上的微力，微腔探针可灵敏地感知环境中温度的变化。两个传感探头分别并联参考腔，引入光学游标效应，放大其微力和温度的灵敏度。本发明可同时对微力和温度进行解耦传感，降低环境中温度的变化对微力测量的影响，具有高灵敏度和高可靠性的优势，可广泛应用于材料、生物细胞等领域力学特性的精准测定。

技术研发人员：肖力敏,熊聪,王草源
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25