《Sensors and Actuators A: Physical》：Location-Aware Pressure Sensing Based on a Colored Porous-Cladding Polydimethylsiloxane Optical Waveguide
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基于PDMS和染料的微孔結構光波導壓力傳感器，通過紅綠染料分區域傳輸光強差異實現壓力定位，靈敏度0.0003 dB/mmHg，空間分辨率7.5cm。
Koffi Novignon Amouzou | Alberto Alonso Romero | Dipankar Sengupta | Aashutosh Kumar | Jean-Marc Lina | Xavier Daxhelet | Bora Ung
電氣工程系，蒙特利爾高等技術學院；地址：1100 Notre-Dame Street West, Montreal, QC, H3C 1K3, 加拿大
摘要
我們報告了一種新型位置感知壓力傳感器的制造和特性研究，該傳感器采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和彩色染料通過澆鑄和成型方法制成。該設備基于一個毫米級的PDMS實心芯，頂部覆蓋有含有染料的多孔PDMS（體積占比2%的空氣微氣泡）。這種新型波導傳感器在其結構中包含了一些微孔，這些微孔通過空氣微氣泡的擴散機制實現光傳輸損耗。壓力感應原理依賴于在550 nm和700 nm波長下傳輸的光強度的相對比較，這兩個波長分別對應于紅色和綠色染料的主要貢獻。測量得到的光學靈敏度約為0.0003 dB/mmHg，擬合系數為0.9605，信噪比范圍在1到1.7 dB之間，適用壓力范圍為2500至5000 mmHg。所描述的傳感方法可以確定沖擊器位于多孔包層波導的哪個區域（紅色染色區、透明區或綠色染色區），從而實現位置感知的壓力傳感功能。該準分布式傳感器的空間分辨率由彩色染色區的最大尺寸決定，為7.5 cm，并受到用于對波導施加壓力的沖擊器尺寸的限制，沖擊器的長度為1.0±0.1 cm。這項工作是朝著開發成本效益高、可拉伸、堅固且靈活的位置感知壓力傳感器邁出的又一步，具有在可穿戴傳感器技術中的潛在應用。
引言
市場上現有的基于柔性電子技術的壓力映射設備（如壓阻式、壓電式、摩擦電式和電化學式）是可靠、精確且穩定的點式傳感器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，這些技術難以集成到分布式或甚至二維傳感器中。此外，柔性壓力傳感器容易隨時間發生漂移和損壞。因此，研究能夠提高不同工作條件下性能和穩定性的替代方法、材料和工藝非常重要。光學壓力檢測技術[9]可以在保持高精度的同時，比電子傳感器系統[10]更少受到漂移的影響。近年來，基于柔性材料的光子壓力傳感器在生物醫學科學[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、體育[33]、[34]、[35]、[36]、機器人技術[37]、消費應用和環境監測[38]等領域受到了更多關注。光纖布拉格光柵[39]、[40]、[41]、長周期光柵[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、啁啾長周期光柵[47]等光學敏感結構通過不同的寫入技術（點對點、振幅或相位掩模法通過紫外線曝光）被實現在石英光纖、塑料光纖和聚合物波導中。這些光子結構可以用于映射和測量應變應力。過去已經展示了基于分布式布里淵增益的概念的位置感知光纖應變傳感器[49]，或者通過沿光纖級聯多個光纖光柵[50]。然而，這兩種技術都需要高度專業且昂貴的檢測設備，并且空間分辨率較低（>10 cm），因此更適合遠距離的結構健康監測。此外，分布式光纖傳感器與柔軟、靈活和可拉伸的器件（例如Sylgard 184和Ecoflex材料的伸長率分別高達200%和749%[51]、[52]）中的較大應變不兼容[51]，以及超高靈敏度的柔性壓力傳感器（在0至1 kPa的壓力范圍內靈敏度高達48.57 kPa^-1[54]）。通過在其基質中引入微結構或孔隙[55]、[56]，或通過摻入光敏劑[58]、染料或顏料[59]、[60]，可以輕松修改聚合物材料的化學結構和光機械性能。最近，使用彈性材料開發了含有圖案化染料區域的可拉伸分布式光纖傳感器，這些設備能夠檢測位置、測量變形幅度，并區分變形類型[61]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其良好的光機械性能[68]、[69]，越來越多地被用于制造各種光學傳感設備[53]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]，采用的方法包括澆鑄、擠出、拉拔和3D打印。PDMS材料具有疏水性、高度化學穩定性以及生物相容性[53]、[70]、[71]，由這種材料制成的設備可以承受多次機械壓縮循環而不會永久損壞，從而證明了其堅固性。盡管PDMS壓力傳感器仍處于研究階段，但最近的進展表明該技術在靈敏度和可擴展性方面取得了進步[53]、[72]、[73]、[74]。
在這項工作中，我們報道了一種新型毫米級的位置感知光學壓力傳感器，該傳感器采用PDMS和彩色染料通過澆鑄和成型方法制成。波導結構中包含一些空氣孔隙，這些孔隙作為擴散點[57]。傳感器的工作原理基于全內反射和受挫全內反射的原理，在多孔區域施加壓力時，這些現象被歸因于多孔彩色包層中的擴散損耗。機械壓縮測試表明，新的檢測概念得到了理論的正確描述，傳感器測量的色度響應使得能夠確定波導上施加應力的位置。傳感器的靈敏度和空間分辨率表明，這種提出的設備是一個有前景的新壓力監測平臺。
傳感器設計與位置感知壓力傳感機制
所提出的波導由PDMS Sylgard 184（Dow Corning，美國密歇根州米德蘭）制成，并摻入了染料（染料濃度選擇將在下一節中描述），采用澆鑄和成型方法制備。此外，在制造過程中向PDMS基質中引入了空氣微氣泡（體積占比2%），這些微氣泡作為光散射點[57]。傳感器設計（圖1(a, b, c, d, e)）包括一個2 mm×3 mm的PDMS實心芯，周圍包裹著1.5 mm厚的PDMS層
染料濃度選擇
為了展示位置感知壓力傳感器的概念操作，本研究僅使用兩種染料：紅色染料（PMS 186C，序列號：93320A，批次：2307137）和綠色染料（PMS 3292C，序列號：93520A，批次：2312234）。這兩種染料與透明的兩部分（基底和固化劑）PDMS制造工藝兼容[61]。對于每種染料，確定了適當的濃度，以便通過TIR和FTIR獲得最佳傳感器響應
機械橫向壓縮實驗裝置
經過一天的松弛后，將制備好的波導放置在平坦的鋁表面上（圖6(a)），并進行橫向壓縮測試[57]、[74]，以測量傳感器在不同位置的橫向變形響應。使用非偏振白光源（Ocean Optics HL-2000-HP）和10倍平面消色差物鏡（Olympus，RMS10X）與實心芯耦合
結論
我們提出并展示了一種新型的位置感知壓力傳感器概念。該傳感器基于由PDMS制成的柔性且可拉伸的矩形截面波導，具有實心芯和摻染料的PDMS包層。所提出的傳感器通過全內反射和彩色多孔包層中的微氣泡擴散機制引導光傳輸。制造出的原型展示了測量壓力值的能力，并能夠正確區分不同區域的壓力
CRediT作者貢獻聲明
Koffi Novignon Amouzou：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿撰寫，驗證，方法論，研究，形式分析，數據整理，概念化。Alberto Alonso Romero：撰寫 – 審稿與編輯，概念化。Jean-Marc Lina：撰寫 – 審稿與編輯。Xavier Daxhelet：撰寫 – 審稿與編輯，研究，形式分析。Dipankar Sengupta：撰寫 – 審稿與編輯。Aashutosh Kumar：撰寫 – 審稿與編輯。Bora Ung：撰寫 – 審稿與編輯
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
作者感謝éTS機械與電氣工程系、LACIME、STEPPE和FabLAB-LIFE的技術人員對實驗提供的幫助和支持。
Koffi Novignon Amouzou最近于2025年在加拿大蒙特利爾高等技術學院獲得了電氣工程博士學位，研究方向是用于生物醫學壓力傳感應用的彈性波導的設計、制造和特性分析。他擁有新不倫瑞克省蒙克頓大學頒發的物理學碩士學位（2018年），他的研究重點是使用納米結構薄膜控制激光發射特性。他的主要研究
