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基于光波导的透明柔性力传感器阵列
摘要
这篇文章提出了一种基于光波导光强变化的力传感器阵列测量接触力。为了提高传感器的透明性和灵活性，研制了两种不同折射率的柔性预聚体。光波导由两个包层和一个核心层组成。顶部覆层的设计允许在特定区域的光散射响应手指接触。力传感器的输出强度随输入力的增大而减小，测量范围为0 ~ - 13.2 dB。
@2012美国光学学会
OCIS编号：(280.0280)遥感及传感器;(280.4788)光学传感及传感器;(130.0130)集成光学;(130.6010)传感器。
Abstract
This paper suggests a force sensor array measuring contact force based on intensity change of light transmitted throughout optical waveguide. For transparency and flexibility of the sensor, two soft prepolymers with different refractive index have been developed. The optical waveguide consists of two cladding layers and a core layer. The top cladding layer is designed to allow light scattering at the specific area in response to finger contact. The force sensor shows a distinct tendency that output intensity decreases with input force and measurement range is from 0 to minus;13.2 dB.
copy;2012 Optical Society of America
OCIS codes: (280.0280) Remote sensing and sensors; (280.4788) Optical sensing and sensors;(130.0130) Integrated optics; (130.6010) Sensors.
目录
引用和链接
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引言
近年来，触觉传感器被广泛应用于各种电子设备的输入接口。触摸屏设备是一个很好的案例，如智能手机[1]，平板电脑[2]，报亭等。最近，为了丰富触觉传感器的功能，一种同时测量推压和接触的触摸屏被认为是传统触摸屏的替代品。特别是，有报道称基于压力的交互提高了可用性。例如，基于压力的键盘有可能改善触摸屏上的按键性能[3]。此外，该传感器可以检测接触瞬间和压力大小，可应用于机器人[4,5]、医疗系统[6]以及触摸屏[7]等各个领域。
触觉传感器的特性及其功能被认为是提高其实际应用可行性的关键因素。例如，如果要放置在触摸屏设备上，传感器需要是透明的;如果要与柔性显示器或机械手的曲面集成[5]，传感器需要是薄而灵活的。然而，触摸传感器仍然需要兼容的技术来满足材料和传感结构方面的灵活性和透明性。
在此，我们设计了一种基于光波导的力传感机制，使用具有不同折射率的透明柔性预聚体。介绍了基于光波导的传感机理、材料设计和力传感器的制作以及性能测试结果。
设计
2.1．材料
采用文献中报道的方法合成了具有不同折射率的光固化高氟化液体预聚体[9]。2,3,4,5,6-五氟苯乙烯和无水N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)购自Sigma-Aldrich公司。氟化三甘醇和氟化四甘醇购自Exfluor Research。脱氟联苯购自东京化工。
预聚物1、2、3、5、6,2rsquo;,3′,5′,6 -octafluoro-4, 4 bis - [2 - (2 - {2 - [2 - (2、3、5, 6-tetrafluoro-4-vinyl-phenoxy)乙氧基)乙氧基)乙氧基)乙氧基的]-byphenyl合成反应decafluoro-biphenyl (11.8 g)与2 - {2 - [1,1-difluoro-2 - (2、3、5, 6-tetrafluoro-4-vinyl-pheno xy)乙氧基]- 1,1,2,2-tetrafluoro-ethoxy} 2, 2-difluoro-ethanol(26克,化合物A)溶解在DMAc(60毫升)的催化剂,碳酸钾为2天(15.0 g) 80°C。除去催化剂后，用乙酸乙酯(EA)萃取反应产物，用EA/己烷(2/1,v/v)柱进行纯化。合成了2、3、4、5、6-五氟苯乙烯(25.0 g)和溶解在DMAc (40 mL)中的四甘醇(50 g)，催化剂为碳酸钾(15.0 g)，室温下反应1天。化合物A除去催化剂后，用EA/己烷(5/1,v/v)柱进行纯化。反应是在氮气环境下进行的。
预聚物2,2,3,5,6,2rsquo;,3′,5′,6 -octafluoro-4, 4的bis - [2 - (2 - {2 - [1, 1-difluoro-2 - (2、3、5, 6-tetra-fluoro-4-vinyl-phenoxy)乙氧基]- 1,1,2,2,-tetrafluoro-ethoxy) 2, 2-difluoro-ethoxy] 1, 1, 2, 2-tetrafluoro-ethoxy} 2, 2-difluoro-ethoxy] -byphenyl合成反应decafluorobiphenyl (6.6 g)与2 - (2 - {2 - [1,1-difluoro-2 - (2、3、5, 6-tetrafluoro-4-vinyl-phenoxy)乙氧基]- 1,1,2,2,-tetrafluoro-ethoxy} 1, 1, 2, 2, -tetrafluoro-ethoxy) 2, 2-difluoro-ethanol(复合B)在催化剂的作用下,,其中包括60°C下2天的氟化铯(0.3 g)和氢氧化钙(2.5 g)。除去催化剂后，用乙酸乙酯(EA)萃取反应产物，用EA/己烷(1/5,v/v)柱进行纯化。在催化剂、氢化钙(5.4 g)和氟化铯(0.65 g)的存在下，在80°C的温度下，将2,3,4,5,6-五氟苯乙烯(19.9g)与DMAc (80 mL)中溶解的氟化四甘醇(35.0 g)反应3天，合成了化合物B。所有反应均在氮气环境下进行。用真空蒸发器将洗脱液完全除去后，在真空条件下，将透明液体在35℃下干燥。混合后的光(124年1.5%,CGI)解决每个预聚物,它是透过0.2micro;m聚四氟乙烯过滤器。将含有光引发剂的预聚体自旋涂覆在基板上，然后使用功率为2 kW的UV灯进行10分钟的UV交联，最后在氮气环境下对预聚体涂层进行150℃的热退火。
研究了两种预聚体的折射率和弹性模量特性。折射率测量使用的是波长为632.8 nm的横向电场(TE)偏振光棱镜耦合器。弹性模量由应变-应力曲线得到，应变-应力曲线由Instron 4482以5 mm/min的恒定拉伸速率测量。如表1所示，这两种预聚物的弹性模量(E)都显著低于其他传统柔性聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET, E: 2.1~4.0 GPa)[8]和聚氯乙烯(PVC, E: 1.3 GPa)[9]，这表明其对高弯曲结构具有良好的顺应性。另一方面，由于氟含量的不同，预聚体的折射率也不同。预聚体1的折射率高于预聚体2，因为氟的取代通常会导致折射率的降低[10]。在此基础上，我们选择了氟含量相对较高的预聚体2作为包层，以减少光在核心层中传播的不良漫反射。
表1 氟化预聚物的特性
2.2. 传感器设计与制造
基于光波导的透明柔性力传感器阵
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