Les futurs capteurs seront-ils fins comme des cheveux ?
En fait, dans le domaine de la technologie de détection par fibre optique, les capteurs à fibre optique à l’état nu ont déjà atteint une finesse physique de niveau « fil de soie » à l’heure actuelle.
I. Comparaison des dimensions physiques : du fil de soie au capteur à fibre optique
Le diamètre moyen d’un cheveu humain se situe généralement entre 60 µm et 100 µm (soit 0,06 mm à 0,10 mm).
En ingénierie optique, le diamètre extérieur total du cœur et de la gaine d’une fibre de quartz monomode standard est de 125 µm. Pour protéger la fibre des rayures, sa surface est recouverte d’une couche de matériau polymère :
- Fibre à revêtement polyacrylate : le diamètre extérieur après revêtement est d’environ 255 µm (environ 0,255 mm).
- Fibre à revêtement polyimide : le revêtement est très fin et résistant aux hautes températures, avec un diamètre extérieur après revêtement de seulement 155 µm (0,155 mm).
- Fibre à faible diamètre (Thin-diameter Optical Fiber) : le diamètre extérieur de la gaine peut être réduit à 80 µm, voire moins. Son diamètre extérieur physique est identique à celui d’un cheveu épais.
Par conséquent, les capteurs à réseau de Bragg en fibre (FBG) inscrits sur des fibres nues ou à faible diamètre ont une unité de détection dont l’épaisseur est comparable à celle d’un fil de soie.
II. Moteurs technologiques de la tendance à la miniaturisation des capteurs à fibre optique
La miniaturisation rapide des capteurs à fibre optique au niveau du « fil de soie » est principalement motivée par les besoins d’ingénierie suivants :
- Surveillance de l’intégrité structurelle et implantation non destructive : Les capteurs miniaturisés peuvent être directement intégrés à l’intérieur de composites en fibre de carbone, de structures imprimées en 3D en métal ou de composants architecturaux, permettant une « détection in-situ dans le matériau » sans compromettre la précision mécanique du matériau de base.
- Biens médicaux et chirurgie mini-invasive : Dans le domaine médical, les capteurs à fibre optique miniaturisés sont intégrés dans des aiguilles de ponction, des cathéters ou des têtes de sondage pour la perception tactile tridimensionnelle, utilisés pour la mesure précise de la force et la surveillance de la température corporelle.
- Procédés de fabrication avancés (inscription point par point par laser femtoseconde) : L’inscription traditionnelle par photolithographie UV nécessite le retrait du revêtement de la fibre, ce qui rend la fibre sujette à la rupture ; la technologie d’inscription point par point par laser femtoseconde permet d’inscrire des réseaux directement dans le cœur de la fibre à travers la couche de revêtement protectrice, tout en conservant une taille très fine et en améliorant considérablement la résistance mécanique à la traction.
III. Produits de capteurs à fibre optique miniaturisés typiques de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.
1. Fibre nue / Fibre à faible diamètre à réseau de Bragg (niveau fil de soie)
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) : Utilise la technologie d’inscription point par point par laser femtoseconde sans endommager le revêtement de la fibre, le diamètre extérieur global n’est que de 155 µm, peut supporter une grande déformation de ≥ 25000 µε, et est très adapté à l’intégration et à la miniaturisation.
- OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) : Fabriqué à partir de fibres à faible diamètre, il a un rayon de courbure plus petit et occupe moins d’espace physique.
2. Capteurs encapsulés dans des métaux/polymères de niveau submillimétrique
Dans les environnements industriels rigoureux, une couche de protection métallique ou polymère est généralement ajoutée pour éviter d’endommager la fibre. Même avec une protection, les technologies d’encapsulation modernes ont atteint le niveau submillimétrique :
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor : Adoptant un encapsulage en tube d’acier sans soudure, tout en fournissant une protection mécanique de qualité industrielle et une résistance à la température de 800°C, le diamètre extérieur par défaut ne dépasse pas 1,1 mm et peut être personnalisé jusqu’à 0,5 mm.
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) : Capteur de contrainte miniaturisé encapsulé dans un matériau polymère, le diamètre extérieur du produit par défaut n’est que de ≤ 0,7 mm (le diamètre extérieur est de 1,2 mm après l’ajout d’une couche de protection en tube d’acier sans soudure).
Conclusion
Les futurs capteurs ne seront pas seulement fins comme des fils de soie ; dans le domaine de la détection par fibre optique, les capteurs de niveau fibre nue ont déjà atteint la miniaturisation de niveau fil de soie à l’heure actuelle. Quant aux capteurs industriels dotés d’un boîtier résistant à la corrosion et à l’écrasement, le diamètre extérieur de l’encapsulation évolue également vers des niveaux submillimétriques de 0,5 mm à 0,7 mm.