新型聚合物微型光纤传感器

研究人员开发了一种超级灵敏的微型光纤传感器，可用于测量人体内的微小压力变化。

“这种新型传感器设计的初衷是满足医疗应用需求，克服了石英基光纤的许多应用问题。”研究小组负责人、香港理工大学的Hwa-Yaw Tam说。“这种传感器的灵敏度非常高，可以测量人呼吸时肺部的压力，而这种压力变化通常只有几千帕。”

这一发现发表于美国光学学会期刊Optics Letters上。这种传感器基于一种名为Zeonex的新型聚合物光纤上的布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG），能够检测到低至2千帕斯卡的压力变化。

Tam说：“我们的FBG传感器不仅具有生物相容性，还具有化学惰性，对湿度变化也不敏感，因此可用于各种医疗应用中。此项研究目的是使用这类传感器，来监测动物及人体内压力、温度和应变等各种参数。”

一种聚合物传感器

光纤布拉格光栅是一种嵌入在光纤上的微小周期性结构，许多光纤传感器都是基于光纤布拉格光栅。压力增大时，光纤会被轻微拉伸，光栅周期增加，从而改变其折射率，使输出光红移；同理，压力减小则产生蓝移。

传统的石英光纤制成的光纤布拉格光栅传感器并不适用医疗应用，尤其是那些需要在体内长期使用的光纤。因为这种光纤硬度较高，使用中会变脆。另外，石英光纤不容易拉伸和收缩，因此嵌入石英光纤的光纤光栅对微小压力变化也不够敏感。尽管研究人员们已经开发出了聚合物光纤，但聚合物光纤容易吸水，从而影响测量结果；另外，聚合物光纤中很难嵌入光纤光栅。

图1 图中所示为光纤制作过程

为了克服这些问题，研究人员转向了新型聚合物Zeonex。与石英光纤相比，这种新材料不仅具有化学惰性，能很好地在人体等水生环境中工作，并且在压力变化时有更大的光位移。通常，人们通过添加掺杂剂来制造纤芯和包层折射率不同的光纤材料。但在此项研究中，研究人员通过使用不同等级的Zeonex制造单材料光纤，简化了制造过程。

“此种光纤不使用掺杂剂，因此可以大批量重复制造。” Tam说。“可使用准分子激光器轻松地刻划FBG，并且打一个平行于纤芯的侧孔。侧孔提高了压力测量灵敏度，显著减少了延迟，因此测量精度更高。”

高分辨率、可复现的读数

为了验证新型传感器的性能，研究人员将其与类似设计的传统聚合物传感器进行了比较。将两种传感器放置在一个密闭室内，手动调节其中的压力，逐步调节至高于/低于大气压力。对两种传感器的光位移同时实时监测。

结果发现，带有侧孔设计的Zeonex传感器产生的响应是线性的、可复现的，其延迟及错误可忽略不计。测试表明，该传感器可用于大气压上下50千帕范围内测量，分辨率为2.0千帕。其压力测量灵敏度相比传统基于聚合物的传感器提高了80%。

“大气压上下几千帕的范围，是压力传感器应用的主要范围。”Tam说。“它可以用于医疗中的低气压范围传感，或高海拔环境中的高压传感，又或者是测量气体容器的压力变化。”

目前传感器的响应时间约为几十秒，研究人员正致力于进一步缩短响应时间。研究人员还计划扩展传感器的应用范围，以测量pH值等其他物理、化学参数；此外，附加探针功能，使其能够检测特定气体的压力。

原文见：J. N. Dash, X. Cheng, H.-Y. Tam, "Low gas pressure sensor based on polymer optical fiber grating," Opt. Lett., 46, 5, 933-936 (2021). https://doi.org/10.1364/OL.418096.