Stretchable and Strain-Decoupled Fluorescent Optical Fiber Sensor for Body Temperature and Movement Monitoring

材料科学 荧光 光纤传感器 光纤 可穿戴计算机 光电子学 光纤布拉格光栅 光学 纤维 物理 复合材料 计算机科学 波长 嵌入式系统
作者
Meihua Chen,Yongcheng He,Haohua Liang,Hongyou Zhou,Xin Wang,Xiaobo Heng,Zhishen Zhang,Jiulin Gan,Zhongmin Yang
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:9 (4): 1415-1424 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.2c00249
摘要

A stretchable fluorescent optical fiber provides a flexible platform for wearable functional devices due to its stretchability and immunity to electromagnetic interference. However, for wearable applications, stretchable fiber sensors suffer from severe body movement-induced strain interference. Here, we report a stretchable optical sensor with strain-decoupling ability. The stretchable core-clad structured optical fiber is prepared with fluorescent nanoparticles and silicone-based elastomers that enable both efficient excitation light delivery and fluorescence collection. The excitation light loss and fluorescence intensity exhibit a linear response to the sensing variables and strain change, which have been utilized as the sensing parameters to decouple the strain from the sensing variables. Our strain-decoupled scheme is widely applicable to other stretchable fluorescent optical fiber sensors that are simultaneously subject to strain. In the experiment described here, the temperature-sensitive fluorescent nanoparticle-doped stretchable fluorescent optical fiber exhibits stable temperature-sensing in the range −10 to 60 °C, with an uncertainty as low as ±0.23 °C and a relative sensitivity of 1.3% °C–1, even when it is subjected to large strain up to 40%. We demonstrate sensor-integrated wearable masks and gloves, which can simultaneously measure physiological thermal changes and the movement of the wrist joint. Our sensor shows great promise as a technology for wearable health monitoring.
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