新型光学压力检测器改善机器人皮肤、可穿戴设备和触摸屏

说明：压力传感器由一系列彼此平行（顶部）的波导组成。当波导之间的间隙变窄时，来自第一通道的光就可以跳入第二通道（底部）。 通道更高的压力使间隙变得更窄，允许更多的光线从通道1移出并进入通道2.图片来源：Suntak Park，韩国大田电子电信研究所

基于光的新型压力传感器可以制作出更敏感的人造皮肤，为机器人提供更好的触感，为人类提供可穿戴的血压监视器以及透明的触摸屏和设备。

在光学学会（OSA）期刊Optics Letters上，研究人员报告了一种新型传感器，该传感器通过分析穿过嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的微小隧道的光量变化来检测压力，PDMS是一种常见的有机硅。这种灵活、透明的装置对即使是温和均匀的压力变化也很敏感，而且与以前的压力传感器相比，它不易发生故障。研究人员表示，将嵌入式光学传感器整合到大面积区域也是可行的。

韩国大田电子和电信研究所的Suntak Park说：“有机硅片可以放置在显示器面板上以启用触摸屏，或者可以作为人工皮肤层包裹在机器人表面上，用于触觉交互。鉴于PDMS是一种独特的有良好生物兼容性的无毒材料，传感器片甚至可以应用于人体上或人体内部，例如，可以用于监测血压。”

在诸如空气动力学和流体动力学的研究领域中，测量弯曲表面上的压力分布是非常重要的。Park说，这些传感器可用于研究飞机、汽车和船舶表面的压力相关效应。

避免干扰

大多数现有压力传感器都基于电子学的。例如，压阻式传感器(通常用作加速度计、流量计和气压传感器)，在受到机械应变时会改变其电阻。电子系统的问题在于它们可能受到来自电源、附近仪器和带电物体的电磁干扰。这些电子传感器的金属成分，会阻挡光线而且会受到腐蚀。

Park说：“我们的方法基本不存在这些问题，因为传感装置会被嵌入在硅橡胶制成的板材中间，与电子设备相比，这种光学方法将特别适用于利用大面积可行性、抗电磁干扰和高视觉透明度的应用设备。”

用光感应压力

这种传感器是通过测量光流通过精确排列的一对微管（称为光子隧道结阵列）的流量来进行工作。Park说：“压敏光子隧道结阵列由导光通道组成，而外部压力会改变透过它们的光的亮度，这类似于阀门或水龙头在分流节点上的工作方式。”

管或波导彼此平行并嵌入PDMS中。对于它们的长度的一部分，它们足够接近使得穿过第一管（通道1）的光可以进入第二通道2当施加压力时，PDMS被压缩，改变通道之间的间隔并允许更多的光压力也会引起PDMS折射率的变化，从而改变光线。

光通过一端的光纤进入设备，另一端由光电二极管收集。随着压力的增加，更多的光线在通道2中蜿蜒而在通道1中更少。测量从每个通道的远端出来的光的亮度从而显示出施加了多少压力。

虽然已经开发出其他光学压力传感器，但这是第一个将传感结构嵌入PDMS中的方法，通过嵌入可保护传染期免受污染。

进行测试

为了测试该装置，研究人员在传感器顶部放置了“按压短管”并逐渐增加压力。在一个5毫米长的传感器中嵌入50微米厚的PDMS片材，研究人员测量了在大约40千帕（kPa）的压力下光学功率的变化为140％。这个概念验证演示表明该设备能够感应低至1 kPa的压力，与人的手指大致相同的灵敏度水平。心跳之间的血压的变化约为5kPa。

Park说，将传感器从实验室演示转移到实际设备还需要采取几个步骤。一种是开发一种更简单的方法来连接光纤，使光线进出传感器。在开发他们的原型时，研究团队使用了精确对准工具，这在大多数商业应用中使用太昂贵且耗时。另一种被称为尾纤的替代方法，电信公司用它来耦合系统中的光纤，这会使这个过程更容易。

此外，该团队使用一维传感器测试了他们的方法，而大多数应用需要二维传感器阵列。这可以通过将一维薄片旋转90度并将其放置在另一个上面来实现，从而创建交叉阴影阵列。传感器的尺寸以及它们之间的间距也可能需要针对不同的应用进行优化。


原文来自：phys，原文题目：Optical pressure detector could improve robot skin, wearable devices and touch screens，由材料科技在线团队翻译整理。