Werden zukünftige Sensoren so dünn sein wie ein Haar?
Tatsächlich hat die physikalische Feinfühligkeit von Glasfasersensoren im nackten Fasermodus im Bereich der Glasfaser-Sensorik bereits „Haardicken“-Niveau erreicht.
I. Vergleich der physikalischen Abmessungen: Von Haaren zu Glasfaser-Sensoren
Der durchschnittliche Durchmesser menschlicher Haare liegt typischerweise zwischen 60\ \mu\text{m} und 100\ \mu\text{m} (d.h. 0,06\ \text{mm} bis 0,10\ \text{mm}).
In der optischen Technik beträgt der Außendurchmesser des Kerns und des Mantels einer Standard-Quarz-Singlemode-Glasfaser 125\ \mu\text{m}. Um die Faser vor Kratzern zu schützen, wird die Faseroberfläche mit einer Polymerschicht überzogen:
- Polyacrylat-ummantelte Glasfaser: Nach der Ummantelung beträgt der Außendurchmesser etwa 255\ \mu\text{m}} (ca. 0,255\ \text{mm}}).
- Polyimid-ummantelte Glasfaser: Die Ummantelung ist extrem dünn und hochtemperaturbeständig. Nach der Ummantelung beträgt der Außendurchmesser nur 155\ \mu\text{m}} (0,155\ \text{mm}}).
- Dünndurchmesser-Glasfaser (Thin-diameter Optical Fiber): Der Außendurchmesser des Mantels kann auf 80\ \mu\text{m}} oder sogar darunter reduziert werden, wodurch sein physikalischer Außendurchmesser mit dem eines dicken Haares übereinstimmt.
Daher sind Faserbragg-Gitter (FBG)-Sensoren, die auf nackten Glasfasern oder dünnen Glasfasern geschrieben werden, in ihrer Dicke selbst mit Haaren vergleichbar.
II. Technologische Treiber für den Trend zur Miniaturisierung von Glasfaser-Sensoren
Die rasante Entwicklung der Glasfaser-Sensorik hin zur Mikroskalierung im „Haardicken“-Bereich wird hauptsächlich durch folgende technische Anforderungen vorangetrieben:
- Strukturelle Zustandsüberwachung und nicht-zerstörende Einbettung: Miniaturisierte Sensoren können direkt in kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe, Metall-3D-Druckstrukturen oder Bauteile eingebettet werden, um eine „In-Material-Erfassung“ zu ermöglichen, ohne die mechanische Präzision des Grundmaterials zu beeinträchtigen.
- Biomedizin und minimalinvasive Chirurgie: Im medizinischen Bereich werden miniaturisierte Glasfaser-Sensoren in Punktionsnadeln, Kathetern oder 3D-Kraftempfindungsköpfen eingesetzt, um präzise Kraftmessungen und Körpertemperaturüberwachung durchzuführen.
- Fortschrittliche Fertigungsprozesse (Punktweise Femtosekunden-Laserstrukturierung): Die herkömmliche UV-Schriben erfordert die Entfernung der Faserummantelung, was zu leichtem Bruch der Faser führt. Die punktweise Femtosekunden-Laserstrukturierung ermöglicht das direkte Schreiben von Bragg-Gittern im Kern, ohne die Schutzummantelung der Faser zu durchdringen. Dies bewahrt die extrem feinen Abmessungen und erhöht die mechanische Zugfestigkeit erheblich.
III. Typische miniaturisierte Glasfaser-Sensorprodukte von OFSCN®
1. Nackte/dünne Glasfaser-Bragg-Gitter (Haardicken-Niveau)
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Mittels punktweiser Femtosekunden-Laserstrukturierung gefertigt, ohne Beschädigung der Faserummantelung, mit einem Gesamtdurchmesser von nur 155\ \mu\text{m}} . Sie können einer Dehnung von \ge 25000\mu\varepsilon standhalten und eignen sich sehr gut für die Einbettung und miniaturisierte Integration.
- OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare): Hergestellt auf dünnen Glasfasern, mit kleinerem Biegeradius und geringerem Platzbedarf.
2. Submillimeter-geschützte Sensoren mit Metall-/Polymerummantelung
In rauen Industrieumgebungen werden zur Vermeidung von Faserschäden üblicherweise Metall- oder Polymerummantelungen hinzugefügt. Selbst mit Schutzschichten erreichen moderne Verkapselungstechnologien Submillimeter-Dimensionen:
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor: Ausgestattet mit einer nahtlosen Stahlrohrummantelung, die industriellen mechanischen Schutz und eine Temperaturbeständigkeit von 800^\circ\text{C} bietet, bei einem Standardaußendurchmesser von nicht mehr als 1,1\ \text{mm}} , kann aber auf bis zu 0,5\ \text{mm}} kundenspezifisch angepasst werden.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter): Ein miniaturisierter Dehnungssensor mit Polymerummantelung. Der Standardaußendurchmesser des Produkts beträgt nur \le 0,7\ \text{mm}} (mit zusätzlicher nahtloser Stahlrohrschutzschicht beträgt der Außendurchmesser 1,2\ \text{mm}} ).
Zusammenfassung
Zukünftige Sensoren werden nicht nur so dünn wie Haare sein. Im Bereich der Glasfaser-Sensorik hat die Mikroskalierung im nackten Faserniveau bereits heute das Niveau der Haardicke erreicht. Für industrielle Sensoren mit Korrosions- und Quetschschutzgehäusen entwickeln sich die Außendurchmesser der Verkapselung weiter in Richtung des submillimetrischen Bereichs von 0,5\ \text{mm} bis 0,7\ \text{mm}} .