Les chercheurs ont développé un capteur à fibre optique miniaturisé extrêmement sensible qui peut mesurer de petits changements de pression. L'ajout d'un trou latéral parallèle au noyau de la fibre a amélioré la mesure de la pression et la précision. Crédit :Xin Cheng, L'Université polytechnique de Hong Kong
Les chercheurs ont développé un capteur à fibre optique miniaturisé extrêmement sensible qui pourrait un jour être utilisé pour mesurer de petits changements de pression dans le corps.
"Notre nouveau capteur de pression a été conçu pour des applications médicales et résout de nombreux problèmes liés à l'utilisation de fibres à base de silice, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Hwa-Yaw Tam de l'Université polytechnique de Hong Kong. " Il est suffisamment sensible pour mesurer la pression à l'intérieur des poumons pendant la respiration, qui ne change que de quelques kilopascals."
Les chercheurs décrivent leur nouveau capteur à fibre optique dans le journal The Optical Society (OSA) Lettres d'optique . Le capteur, qui est basé sur un réseau de Bragg à fibres (FBG) inscrit dans une fibre réalisée à partir d'un nouveau polymère appelé Zeonex, a été en mesure de détecter des changements de pression de seulement 2 kilopascals.
"Notre capteur FBG pourrait être utilisé dans diverses applications médicales car, en plus de sa biocompatibilité, la fibre est chimiquement inerte et également insensible à l'humidité, " a déclaré Tam. "Notre objectif ultime est d'utiliser ces types de capteurs pour surveiller divers paramètres, y compris la pression, la température et la tension, à l'intérieur des animaux et des humains. »
Fabriquer un capteur polymère
De nombreux capteurs à fibre optique sont basés sur des FBG, minuscules microstructures périodiques qui peuvent être inscrites sur une fibre. Lorsque la pression augmente, la fibre s'étire légèrement, augmenter la période de réseau d'une manière qui modifie son indice de réfraction et déplace le flux lumineux vers l'extrémité rouge du spectre. De la même manière, une diminution de la pression produit un décalage vers le bleu.
La fabrication d'un capteur FBG à partir d'une fibre optique en silice traditionnelle n'est pas idéale pour les applications médicales, en particulier ceux impliquant une utilisation à long terme dans le corps, car ces fibres présentent une rigidité relativement élevée et peuvent être cassantes. Les FBG intégrés dans les fibres de silice ont également une sensibilité limitée aux petits changements de pression car le matériau ne s'étire pas et ne se contracte pas très facilement. Bien que des fibres optiques polymères aient été développées, ils ont tendance à absorber l'eau - ce qui peut affecter les mesures - et ne sont pas très faciles à inscrire avec un FBG.
La fibre optique utilisée pour fabriquer le nouveau capteur est entièrement constituée du polymère avancé Zeonex. Le diagramme montre comment les chercheurs ont fabriqué la préforme qui a ensuite été chauffée et tirée pour fabriquer la fibre. Crédit :Xin Cheng, L'Université polytechnique de Hong Kong
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs se sont tournés vers le polymère avancé Zeonex. Ce nouveau matériau n'est pas seulement chimiquement inerte et fonctionne bien dans les environnements aqueux comme ceux trouvés dans le corps, mais présente également un décalage de lumière plus élevé en réponse à un changement de pression par rapport aux fibres de silice. Bien que des substances appelées dopants soient souvent utilisées pour fabriquer des matériaux avec des indices de réfraction différents pour le noyau interne et la gaine externe des fibres, les chercheurs ont simplifié le processus de fabrication en utilisant différentes qualités de Zeonex pour fabriquer une fibre mono-matériau.
« La suppression de l'utilisation de dopants permet de fabriquer les fibres optiques avec une bonne reproductibilité, " a déclaré Tam. "Nous avons pu utiliser un laser excimer pour inscrire facilement le FBG et ajouter un trou latéral parallèle au noyau. Le trou latéral a amélioré la sensibilité de mesure de la pression et réduit considérablement le décalage, offrant ainsi une meilleure précision de mesure."
Haute résolution, lectures reproductibles
Pour faire la démonstration du nouveau capteur, les chercheurs ont comparé ses performances avec un capteur traditionnel à base de polymère de conception similaire. Les capteurs ont été placés à l'intérieur d'une chambre, où la pression a été manuellement augmentée et diminuée étape par étape au-dessus et au-dessous de la pression atmosphérique. Le décalage lumineux correspondant a été surveillé en temps réel pour les deux capteurs.
Ils ont découvert que les capteurs basés sur Zeonex avec la conception à trous latéraux produisaient une réponse linéaire, reproductibles et avaient un décalage ou des erreurs négligeables. Les tests ont montré que le capteur peut être utilisé pour la mesure de basse pression jusqu'à 50 kilopascals au-dessus ou en dessous de la pression atmosphérique avec une résolution de 2,0 kilopascals. La sensibilité de la mesure de pression est augmentée de 80% par rapport à un capteur traditionnel à base de polymère.
"Le capteur de pression est plus utile dans des conditions où le changement de pression est de l'ordre de quelques kilopascals au-dessus et en dessous de la pression atmosphérique, " a déclaré Tam. " Il pourrait être utile pour la détection de basse pression dans les environnements médicaux et à haute altitude ainsi que pour détecter les changements de pression dans les conteneurs gazeux. "
Les chercheurs travaillent maintenant à réduire davantage le temps de réponse du capteur, qui est actuellement de quelques dizaines de secondes. Ils souhaitent également étendre le capteur pour mesurer d'autres paramètres physiques et chimiques tels que le pH et fonctionnaliser la sonde afin qu'elle puisse détecter la pression d'un gaz particulier.
