[发明专利]一种无源压力传感纤维及其制备方法

说明书

本发明公开一种无源压力传感纤维及其制备方法，包括：纤芯和由多层薄膜成轴对称或同心圆环对称分布所构成的中间层，纤芯位于对称中心；中间层由透明的两种不同折射率的聚合物薄膜交替堆积构成，位于带隙内的光子无法进入中间层，被中间层的带隙结构全反射；纤芯为不透明的聚合物薄膜层，用于将透射过中间层的光子吸收；当中间层受到外部压力导致结构发生变化时，其势场对应的能带结构发生变化，带隙的位置相应改变，可被中间层全反射的光子的波长发生变化；若选取自然光作为检测光源，则多层薄膜不同可见光带隙所反射出的光子的颜色对应变化，可通过判断反射光的颜色检测压力的变化。本发明实现了无源压力传感功能。

技术领域

本发明涉及压力传感技术领域，更具体地，涉及一种无源压力传感纤维及其制备方法。

背景技术

压力传感技术在医疗领域以及新型医疗器件中应用广泛。尤其是在术后血肿、烧伤、慢性静脉溃疡等压力治疗病症中，集成各类压力传感器件的新型多功能医用纺织品可对患者的各个部位同时提供实时的局部压力检测，使得纺织品的作用压力在最佳压力范围3.99kPa-6.65kPa，避免过大压力导致伤口进一步撕裂或是压力过小导致愈合缓慢。

各类传统压力传感器件，例如电容式传感器、压阻式传感器或光学传感器等，均需要电源或者光源提供输入，通过感知外部压力对输入信号的改变实现压力检测。但光源或电源作为信号输入的同时，也带了泄漏、需要不断开启以及发热等问题。本发明采用被动式无源传感方式成功解决了传统压力传感器对光源、电源等源器件的依赖性所导致的泄漏、需主动开启以及发热等问题。

公开号CN109238535A的中国发明专利，提供了一种多芯光纤压力传感器，通过内部镀膜的方式将光束缚于纤芯以感知压力变化，但此类光纤传感器由于内金属镀膜不可弯曲，不具备柔性，便携性差特点。

公开号CN108871658A的中国发明专利提供了一种无源光纤压力传感器以及光纤压力传感系统，但只是将光源部分与传感器隔离，传感器自身信号的产生仍然需要激光光源，泄漏、需主动开启以及发热问题未彻底解决。

公开号CN109431481A的中国发明专利提供了一种微型光纤压力传感器，通过在纤维内构成法布里-珀罗腔(FP腔)以感知压力变化。但只是纤维传感器本身的微型化，为实现压力传感功能，其必须引入光源模块与信号处理模块，限制了传感系统整体的微型化与集成化。

公开号CN108775981A的中国发明专利提供了一种差动式膜片光纤压力传感系统，通过双光纤压力传感器的设计提高了测量精度。但微米级膜片的加工和制备成本极高，薄膜型的压力传感器可连续制备的体积受限，且薄膜型的FP腔受压后会产生不可逆的形变导致信号对比度降低。

另外，现有技术还公开一种空芯金属镀膜压力传感光纤，其结构如图1所示，其通过金属层102与电介质层103所构成的镜面结构实现光路传输，聚合物外包层101提供机械支撑，外部压力改变传输介质结构，进而调制传输光，实现压力传感。但是现有技术中的金属镀膜光纤由于采用镜面反射原理，导光结构受限于金、银等贵金属材料，成本较高，其应用范围非常有限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有压力传感器柔性缺失导致难以集成的问题、对光源、电源等源器件的依赖性、以及仅可利用金属材料制备，成本较高，难以批量制备等技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种无源压力传感纤维，包括：纤芯和中间层；

所述纤芯和中间层成轴对称或圆心对称分布，所述纤芯位于对称中心；

所述中间层由透明的两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积构成，两种折射率不同的聚合物薄膜交替堆积产生势场，当光在所述中间层中传输时，会产生布拉格散射，光的能量对应位于不同能带结构的光子，位于带隙内的光子无法进入所述中间层，被中间层全反射；

所述纤芯为不透明的聚合物薄膜，用于将透射过中间层，进入纤芯的光子吸收；