Forskare utvecklade en extremt känslig miniatyriserad optisk fibersensor som kan mäta små tryckförändringar. Att lägga till ett sidohål som löper parallellt med fiberkärnan förbättrade tryckmätningen och noggrannheten. Kredit:Xin Cheng, Hong Kong Polytechnic University
Forskare har utvecklat en extremt känslig miniatyriserad optisk fibersensor som en dag skulle kunna användas för att mäta små tryckförändringar i kroppen.
"Vår nya trycksensor är designad för medicinska tillämpningar och övervinner många av problemen med att använda kiseldioxidbaserade fibrer, " sa forskargruppsledaren Hwa-Yaw Tam från Hong Kong Polytechnic University. "Den är tillräckligt känslig för att mäta trycket inuti lungorna när du andas, som ändras med bara några kilopascal."
Forskarna beskriver sin nya optiska fibersensor i tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver . Sensorn, som är baserad på ett fiber Bragg-gitter (FBG) inskrivet i en fiber gjord av en ny polymer som heter Zeonex, kunde detektera tryckförändringar på bara 2 kilopascal.
"Vår FBG-sensor kan användas i olika medicinska tillämpningar eftersom, förutom dess biokompatibilitet, fibern är kemiskt inert och inte heller känslig för fukt, " sa Tam. "Vårt slutmål är att använda dessa typer av sensorer för att övervaka olika parametrar – inklusive tryck, temperatur och påfrestning – inuti djur och människor."
Att göra en polymersensor
Många fiberoptiska sensorer är baserade på FBG, små periodiska mikrostrukturer som kan skrivas in på en fiber. När trycket stiger sträcker sig fibern något, ökar gitterperioden på ett sätt som ändrar dess brytningsindex och förskjuter ljusutgången mot den röda änden av spektrumet. Liknande, en minskning av trycket ger ett blått skifte.
Att göra en FBG-sensor av en traditionell optisk kiselfiber är inte idealiskt för medicinska tillämpningar, särskilt de som involverar långvarig användning i kroppen, eftersom dessa fibrer uppvisar en relativt hög styvhet och kan vara spröda. FBG:er inbäddade i silikafibrer har också begränsad känslighet för små tryckförändringar eftersom materialet inte sträcker sig och drar ihop sig särskilt lätt. Även om optiska polymerfibrer har utvecklats, de tenderar att absorbera vatten – vilket kan påverka mätningar – och är inte särskilt lätta att skriva in med en FBG.
Den optiska fibern som används för att tillverka den nya sensorn är helt tillverkad av den avancerade polymeren Zeonex. Diagrammet visar hur forskarna gjorde förformen som sedan värmdes upp och drogs för att göra fibern. Kredit:Xin Cheng, Hong Kong Polytechnic University
För att övervinna dessa hinder, forskarna vände sig till den avancerade polymeren Zeonex. Detta nya material är inte bara kemiskt inert och fungerar bra i vattenhaltiga miljöer som de som finns i kroppen, men uppvisar också en högre ljusförskjutning som svar på en tryckförändring jämfört med kiseldioxidfibrer. Även om ämnen som kallas dopingmedel ofta används för att tillverka material med olika brytningsindex för fibrernas inre kärna och utsida, forskarna förenklade tillverkningsprocessen genom att använda olika kvaliteter av Zeonex för att göra en fiber av ett enda material.
"Att eliminera användningen av dopningsmedel gör att de optiska fibrerna kan tillverkas med god reproducerbarhet, ", sa Tam. "Vi kunde använda en excimerlaser för att enkelt skriva in FBG och lägga till ett sidohål som löper parallellt med kärnan. Sidohålet förbättrade tryckmätningskänsligheten och minskade avsevärt eftersläpning, ger därför bättre mätnoggrannhet."
Hög upplösning, reproducerbara avläsningar
För att demonstrera den nya sensorn, forskarna jämförde dess prestanda med en traditionell polymerbaserad sensor av liknande design. Sensorerna placerades inuti en kammare, där trycket manuellt ökades och minskades steg för steg över och under atmosfärstrycket. Motsvarande ljusförskjutning övervakades i realtid för båda sensorerna.
De fann att de Zeonex-baserade sensorerna med sidohålsdesign producerade ett svar som var linjärt, repeterbar och hade försumbar fördröjning eller fel. Testerna visade att sensorn kan användas för lågtrycksmätning upp till 50 kilopascal över eller under atmosfärstryck med en upplösning på 2,0 kilopascal. Känsligheten för tryckmätningen ökas med 80 % jämfört med en traditionell polymerbaserad sensor.
"Trycksensorn är mest användbar under förhållanden där tryckförändringen är i storleksordningen några kilopascal över och under atmosfärstrycket, ", sa Tam. "Det kan vara användbart för lågtrycksavkänning i medicinska miljöer och miljöer på hög höjd samt för att upptäcka tryckförändringar i gasbehållare."
Forskarna arbetar nu för att ytterligare minska sensorns svarstid, vilket för närvarande är några tiotals sekunder. De vill också utöka sensorn för att mäta andra fysikaliska och kemiska parametrar som pH och för att funktionalisera sonden så att den kan detektera trycket på en viss gas.
