《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和染料的微孔结构光波导压力传感器，通过红绿染料分区域传输光强差异实现压力定位，灵敏度0.0003 dB/mmHg，空间分辨率7.5cm。
Koffi Novignon Amouzou | Alberto Alonso Romero | Dipankar Sengupta | Aashutosh Kumar | Jean-Marc Lina | Xavier Daxhelet | Bora Ung
电气工程系，蒙特利尔高等技术学院；地址：1100 Notre-Dame Street West, Montreal, QC, H3C 1K3, 加拿大
摘要
我们报告了一种新型位置感知压力传感器的制造和特性研究，该传感器采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和彩色染料通过浇铸和成型方法制成。该设备基于一个毫米级的PDMS实心芯，顶部覆盖有含有染料的多孔PDMS（体积占比2%的空气微气泡）。这种新型波导传感器在其结构中包含了一些微孔，这些微孔通过空气微气泡的扩散机制实现光传输损耗。压力感应原理依赖于在550 nm和700 nm波长下传输的光强度的相对比较，这两个波长分别对应于红色和绿色染料的主要贡献。测量得到的光学灵敏度约为0.0003 dB/mmHg，拟合系数为0.9605，信噪比范围在1到1.7 dB之间，适用压力范围为2500至5000 mmHg。所描述的传感方法可以确定冲击器位于多孔包层波导的哪个区域（红色染色区、透明区或绿色染色区），从而实现位置感知的压力传感功能。该准分布式传感器的空间分辨率由彩色染色区的最大尺寸决定，为7.5 cm，并受到用于对波导施加压力的冲击器尺寸的限制，冲击器的长度为1.0±0.1 cm。这项工作是朝着开发成本效益高、可拉伸、坚固且灵活的位置感知压力传感器迈出的又一步，具有在可穿戴传感器技术中的潜在应用。
引言
市场上现有的基于柔性电子技术的压力映射设备（如压阻式、压电式、摩擦电式和电化学式）是可靠、精确且稳定的点式传感器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，这些技术难以集成到分布式或甚至二维传感器中。此外，柔性压力传感器容易随时间发生漂移和损坏。因此，研究能够提高不同工作条件下性能和稳定性的替代方法、材料和工艺非常重要。光学压力检测技术[9]可以在保持高精度的同时，比电子传感器系统[10]更少受到漂移的影响。近年来，基于柔性材料的光子压力传感器在生物医学科学[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、体育[33]、[34]、[35]、[36]、机器人技术[37]、消费应用和环境监测[38]等领域受到了更多关注。光纤布拉格光栅[39]、[40]、[41]、长周期光栅[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、啁啾长周期光栅[47]等光学敏感结构通过不同的写入技术（点对点、振幅或相位掩模法通过紫外线曝光）被实现在石英光纤、塑料光纤和聚合物波导中。这些光子结构可以用于映射和测量应变应力。过去已经展示了基于分布式布里渊增益的概念的位置感知光纤应变传感器[49]，或者通过沿光纤级联多个光纤光栅[50]。然而，这两种技术都需要高度专业且昂贵的检测设备，并且空间分辨率较低（>10 cm），因此更适合远距离的结构健康监测。此外，分布式光纤传感器与柔软、灵活和可拉伸的器件（例如Sylgard 184和Ecoflex材料的伸长率分别高达200%和749%[51]、[52]）中的较大应变不兼容[51]，以及超高灵敏度的柔性压力传感器（在0至1 kPa的压力范围内灵敏度高达48.57 kPa^-1[54]）。通过在其基质中引入微结构或孔隙[55]、[56]，或通过掺入光敏剂[58]、染料或颜料[59]、[60]，可以轻松修改聚合物材料的化学结构和光机械性能。最近，使用弹性材料开发了含有图案化染料区域的可拉伸分布式光纤传感器，这些设备能够检测位置、测量变形幅度，并区分变形类型[61]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其良好的光机械性能[68]、[69]，越来越多地被用于制造各种光学传感设备[53]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]，采用的方法包括浇铸、挤出、拉拔和3D打印。PDMS材料具有疏水性、高度化学稳定性以及生物相容性[53]、[70]、[71]，由这种材料制成的设备可以承受多次机械压缩循环而不会永久损坏，从而证明了其坚固性。尽管PDMS压力传感器仍处于研究阶段，但最近的进展表明该技术在灵敏度和可扩展性方面取得了进步[53]、[72]、[73]、[74]。
在这项工作中，我们报道了一种新型毫米级的位置感知光学压力传感器，该传感器采用PDMS和彩色染料通过浇铸和成型方法制成。波导结构中包含一些空气孔隙，这些孔隙作为扩散点[57]。传感器的工作原理基于全内反射和受挫全内反射的原理，在多孔区域施加压力时，这些现象被归因于多孔彩色包层中的扩散损耗。机械压缩测试表明，新的检测概念得到了理论的正确描述，传感器测量的色度响应使得能够确定波导上施加应力的位置。传感器的灵敏度和空间分辨率表明，这种提出的设备是一个有前景的新压力监测平台。
传感器设计与位置感知压力传感机制
所提出的波导由PDMS Sylgard 184（Dow Corning，美国密歇根州米德兰）制成，并掺入了染料（染料浓度选择将在下一节中描述），采用浇铸和成型方法制备。此外，在制造过程中向PDMS基质中引入了空气微气泡（体积占比2%），这些微气泡作为光散射点[57]。传感器设计（图1(a, b, c, d, e)）包括一个2 mm×3 mm的PDMS实心芯，周围包裹着1.5 mm厚的PDMS层
染料浓度选择
为了展示位置感知压力传感器的概念操作，本研究仅使用两种染料：红色染料（PMS 186C，序列号：93320A，批次：2307137）和绿色染料（PMS 3292C，序列号：93520A，批次：2312234）。这两种染料与透明的两部分（基底和固化剂）PDMS制造工艺兼容[61]。对于每种染料，确定了适当的浓度，以便通过TIR和FTIR获得最佳传感器响应
机械横向压缩实验装置
经过一天的松弛后，将制备好的波导放置在平坦的铝表面上（图6(a)），并进行横向压缩测试[57]、[74]，以测量传感器在不同位置的横向变形响应。使用非偏振白光源（Ocean Optics HL-2000-HP）和10倍平面消色差物镜（Olympus，RMS10X）与实心芯耦合
结论
我们提出并展示了一种新型的位置感知压力传感器概念。该传感器基于由PDMS制成的柔性且可拉伸的矩形截面波导，具有实心芯和掺染料的PDMS包层。所提出的传感器通过全内反射和彩色多孔包层中的微气泡扩散机制引导光传输。制造出的原型展示了测量压力值的能力，并能够正确区分不同区域的压力
CRediT作者贡献声明
Koffi Novignon Amouzou：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法论，研究，形式分析，数据整理，概念化。Alberto Alonso Romero：撰写 – 审稿与编辑，概念化。Jean-Marc Lina：撰写 – 审稿与编辑。Xavier Daxhelet：撰写 – 审稿与编辑，研究，形式分析。Dipankar Sengupta：撰写 – 审稿与编辑。Aashutosh Kumar：撰写 – 审稿与编辑。Bora Ung：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢éTS机械与电气工程系、LACIME、STEPPE和FabLAB-LIFE的技术人员对实验提供的帮助和支持。
Koffi Novignon Amouzou最近于2025年在加拿大蒙特利尔高等技术学院获得了电气工程博士学位，研究方向是用于生物医学压力传感应用的弹性波导的设计、制造和特性分析。他拥有新不伦瑞克省蒙克顿大学颁发的物理学硕士学位（2018年），他的研究重点是使用纳米结构薄膜控制激光发射特性。他的主要研究
