Een flexibele en rekbare golfgeleider op basis van nanograting voor tactiele waarneming

Abstract

Op basis van de verwante kenmerken van optische golfgeleider en flexibele optische materialen, wordt een flexibele en rekbare optische golfgeleiderstructuur voorgesteld die gericht is op tactiele waarneming. Het detectieprincipe van optische golfgeleider is gebaseerd op mechanische vervorming veroorzaakt door verlies van uitgangslicht. Het overwint de tekortkomingen van traditionele optische golfgeleiderapparaten, die zich niet kunnen aanpassen aan een onregelmatig oppervlak. De flexibele en rekbare optische golfgeleider is vervaardigd met de nanoreplica-vormmethode en is toegepast voor het meten van druk en spanning op het gebied van tactiele waarneming. De flexibele en rekbare optische golfgeleider had een spanningsdetectiebereik van 0 tot 12,5% en het externe krachtdetectiebereik is van 0 tot 23 × 10^–3 N.

Inleiding

Optische golfgeleider is een structuur die de transmissie van lichtgolven geleidt [1,2,3,4]. Conventionele stijve optische golfgeleiders kunnen niet voldoen aan de eisen van flexibele elektronica en zachte robotica [5,6,7]. Flexibele en rekbare apparaten zullen een belangrijk onderdeel zijn van het robotachtige tactiele detectiesysteem, dat de perceptie van mens-machine-interactie kan realiseren, en een hoge mate van flexibiliteit, rekbaarheid, aanpassingsvermogen, gevoeligheid, biocompatibiliteit en immuun voor elektromagnetische interferentie heeft [8, 9,10,11,12]. Wang et al. fabriceerde een bio-geïnspireerde flexibele druksensor op basis van Ti3C2/MC biocomposietfilm met een drukgevoeligheid van 24,63 kPa⁻¹ , en zijde Fibroin-MXene-film was ook gebruikt als druksensor met biocompatibiliteit en hoge prestaties [13, 14]. Ran et al. heeft een flexibel biomimetisch infrarood (IR) detectieversterkingssysteem gefabriceerd voor contrastrijke beeldvorming van IR-licht, en de pieklichtgevoeligheid kan oplopen tot 7,6 × 10⁴ onder de golflengte van 1342 nm [15]. De flexibele en rekbare optische golfgeleider op basis van nanoroosterstructuur kan worden gefabriceerd in tactiele detectieapparaten met flexibiliteit en rekbaarheid, en heeft een uitgebreide toepassing op het gebied van draagbare elektronica en robotica. Li et al. fabriceerde een flexibel golfgeleiderapparaat op basis van buigbaar chalcogenideglas, en een theorie met meerdere neurale assen werd gebruikt om de spanningsverdeling te optimaliseren [16]. Ook was de glazen golfgeleider ontworpen in serpentinevorm, met een rekbaarheid van 42% trekspanning. Naast nieuwe flexibele optische materialen zijn er veel geavanceerde fabricagetechnologieën gebruikt bij de fabricage van flexibele en rekbare golfgeleiders [17, 18]. Samusjew et al. fabriceerde een fotopolymerisatie flexibele en rekbare optische golfgeleider door middel van inkjetprinten, en de golfgeleider had een rekbaarheid van 120% [19]. Om flexibiliteit en rekbaarheid van optische golfgeleiderapparaten op basis van nanoroosterstructuren te bereiken, zijn nieuwe zachte materialen met optische transparantie nodig als hoekstenen. Tegenwoordig zijn er continu nieuwe materialen ontwikkeld die worden gebruikt om flexibele en rekbare fotonensensoren te maken [11, 20]. Ze hebben verschillende gemeenschappelijke kenmerken, waaronder transparantie, flexibiliteit en rekbaarheid. Deze nieuwe optische zachte materialen kunnen worden onderverdeeld in de volgende categorieën:elastomeren, colloïdale kristallen, hydrogels en synthetische opalen [21,22,23]. Met de geleidelijke ontwikkeling van flexibele en rekbare optische golfgeleiders op basis van flexibele optische materialen en micro-/nanofabricagetechnologieën, is de toepassing van flexibele en rekbare optische golfgeleider in tactiele waarneming, draagbare elektronica en persoonlijke gezondheidsdiagnose geleidelijk uitgebreid. Andreas et al. gebruikte polystyreenpolymeer als deklaag en gefluoreerd polymeer als transmissielaag om ultrahoge rekbaarheid en elastoplastische optische golfgeleidersensoren te maken, waarvan de treksterkte 300% kan overschrijden [24]. Alexander et al. gebruikte holografische technologie en UV-template-uithardingsmethode om flexibel diffractieroosterlicht te bereiden op PDMS-materiaal gemengd met lichtgevoelige benzofenon-moleculen [25]. Hoewel veel onderzoekers een flexibele of rekbare optische golfgeleider hebben geïmplementeerd, zijn er weinig vorderingen in het onderzoek naar de flexibele en rekbare optische golfgeleider, vooral op het gebied van robotische tactiele detectie.

In dit artikel is een nieuwe flexibele en rekbare optische golfgeleider ontworpen en vervaardigd met behulp van een nanoreplica-vormproces. De flexibele en rekbare optische golfgeleider is een belangrijk tactiele detectieapparaat en kan worden gebruikt om druk- en rekdetectie te realiseren voor draagbare toepassingen en toepassingen in de gezondheidszorg. De flexibele en rekbare golfgeleider werd vervaardigd op silicium masterwafer, met PDMS als substraat. Een nanograting-masterwafer werd gebruikt om roosterstructuren op optische golfgeleiders te creëren als in / uit-koppelingen. Alle gerelateerde parameters zijn geanalyseerd en berekend tijdens het fabricageproces. De gefabriceerde flexibele en rekbare optische golfgeleider is toegepast voor het meten van druk en spanning op het gebied van tactiele waarneming.

Methoden

Principe van de flexibele en rekbare golfgeleider

Voor een flexibele en rekbare optische golfgeleidersensor is de brekingsindex van de geleide laag n_golfgeleider en de brekingsindexcoëfficiënt van de omgevingsomgeving van de golfgeleider is n_extern , die voldoet aan de volgende relatie:

$$n_{waveguide}> n_{extern}$$ (1)

In dit artikel wordt PDMS geselecteerd als de optische golfgeleiderlaag en de brekingsindexcoëfficiënt is 1,41, wat hoger is dan de luchtbrekingsindexcoëfficiënt 1,0, zodat het kan worden gebruikt als een eenvoudige optische golfgeleider. De realisatie van tactiele detectie vereist dat de flexibele en rekbare optische golfgeleider op basis van tactiele detectie verschillende fysieke parameters (druk, spanning, enz.) van de omgeving kan detecteren. Wanneer het flexibele en rekbare optische golfgeleider-detectieapparaat wordt beïnvloed door de externe omgeving, is de intensiteit van het uitgangslicht intrinsiek gerelateerd aan de mechanische storing veroorzaakt door stress of spanning. Afhankelijk van de variatie in de uitgangslichtintensiteit, kan de vervorming van de flexibele en rekbare optische golfgeleider, veroorzaakt door de externe omgevingskracht, worden vastgesteld. Door de verandering van de lichtintensiteit te berekenen, kunnen de externe fysieke variaties kwantitatief worden gemeten.

Het schematische diagram van een flexibel en rekbaar optische golfgeleider-detectieapparaat, zoals weergegeven in figuur 1a. Het deel van flexibele en rekbare optische golfgeleider omvat:1, flexibele en rekbare optische golfgeleiderfilm; 2, periodieke nanograting-diepte; 3, lengte van optische golfgeleider; 4 Nanograting periode; 5, Nanograting-breedte; 6, Raspen gekoppelde ingang, 7, Raspen gekoppelde uitgang. De roosterkoppeling van de flexibele en rekbare optische golfgeleider is samengesteld uit het deel 6-roosterkoppelingsgebied en het deel 7-roosterkoppelingsgebied voor invoer en uitvoer van lichtintensiteit. De detectie van de optische golfgeleider wordt uitgevoerd door de flexibele rekbare optische golfgeleider met externe fysieke grootheden (druk, spanning, enz.) om de corresponderende relatie tussen de outputlichtintensiteit en de veranderingen in externe fysieke grootheden te verkrijgen, zoals getoond in Fig. 1b .

een Principe van druk- en rekdetectie, b Schema van de flexibele en rekbare optische golfgeleider

Wanneer een lichtbundel onder een bepaalde hoek in de optische golfgeleider wordt gekoppeld vanuit de roosterkoppelaar, zendt deze een afstand van L in de optische golfgeleider uit en wordt vervolgens uitgekoppeld via de uitgangsroosterkoppelaar. Aangenomen wordt dat de uitgangslichtintensiteit I₀ . is . Wanneer de flexibele en rekbare structuur van de optische golfgeleider wordt vervormd door uitgeoefende externe druk F of spanning S, is de corresponderende variatie in lichtintensiteit van de output van de optische golfgeleider ΔI₀ , dus de relatie tussen de intensiteit van het uitgangslicht en de druk is:

$$\Delta I_{0} =f\links( F \rechts)$$ (2)

De relatie tussen de variatie in lichtintensiteit en uitgeoefende belasting is:

$$\Delta I_{0} =f\links( S \rechts)$$ (3)

Simulatieresultaat en analyse

Het flexibele en rekbare materiaal met optische golfgeleiderstructuur is een zacht materiaal met flexibiliteit en rekbaarheid. Wanneer de flexibele rekbare optische golfgeleider tactiele detectie uitvoert, kan het apparaat beschadigd raken of niet goed werken als gevolg van de spanning die tijdens het vervormingsproces wordt ingesteld. Daarom is het bij het vervaardigen van flexibele en rekbare optische golfgeleiderapparaten noodzakelijk om statische simulaties uit te voeren op fotonische kristalstructuren die met verschillende materialen zijn vervaardigd, en de verdeling van interne spanning en spanning in de structuur te analyseren wanneer deze wordt onderworpen aan externe kracht om trekvervorming te produceren . ABAQUS-software werd gebruikt voor eindige-elementensimulatie. De modelparameters werden als volgt vastgesteld:roosterperiode 850 nm, duty cycle 0,5, materiaaldikte 2 mm, roosterhoogte 200 micron, Young's modulus is 1 MPa, Poisson's ratio is 0,48 en de dichtheid van PDMS is ingesteld op 0,98 g/cm ³ . De belasting wordt gedefinieerd als de trekverplaatsing die aan beide zijden van de optische golfgeleider wordt uitgeoefend, en de andere richtingen zijn vast, wat betekent dat het apparaat in horizontale richting met 10% wordt uitgerekt. Het spanning-rek modale distributiediagram van de PDMS optische golfgeleider wordt getoond in Fig. 2. Uit Fig. 2a blijkt dat de morfologische veranderingen van de spanning voornamelijk worden verdeeld in het onderste deel van de roosterlaagstructuur, en de spanning is symmetrisch en gelijkmatiger verdeeld over beide zijden. De spanningsconcentratie bevindt zich voornamelijk in het deel waar het rooster en de blokstructuren zijn verbonden, en de maximale spanning is minder dan 0,13 MPa, zoals weergegeven in figuur 2b. De mechanische simulatie-analyse toont aan dat de golfgeleider van de roosterstructuur op basis van PDMS zeer goede trekeigenschappen heeft en het simulatie-experiment ondersteunt de stabiliteit van de rekdetectiefunctie van de flexibele en rekbare optische golfgeleiderstructuur.

Eindige-elementensimulatie van de flexibele en rekbare golfgeleider:a Elastische spanning; b Stress

Het detectieprincipe van de flexibele optische golfgeleider-tactiele sensor is dat wanneer licht wordt gekoppeld aan de optische golfgeleider en wordt doorgelaten, er lichttransmissieverlies optreedt als gevolg van externe stress en spanning, en het doel van stress- en rekdetectie wordt bereikt door het verlies te berekenen. Daarom is voor het ontworpen optische golfgeleiderapparaat op basis van de nanoroosterstructuur elektrische veldsimulatie vereist om de transmissietoestand van licht in de optische golfgeleider te verifiëren. In het elektromagnetische simulatie-experiment wordt FDTD elektromagnetische simulatiesoftware gebruikt voor analyse en ontwerp. Aangezien de ontworpen optische golfgeleider een symmetrische structuur is, worden de roosterkoppelaars aan beide uiteinden gekozen als onderzoeksobject. De duty cycle van het rooster is 0,5, de periode van het rooster is, en de hoogte van het rooster is. De basisstructuur wordt getoond in figuur 3a. Wanneer een Gaussiaanse rode lichtbundel wordt gekoppeld aan de optische golfgeleider met een invalshoek van 13,54 graden, kan het grootste deel van de witte lichtbundel worden gekoppeld aan de optische golfgeleider en zich voortplanten langs de horizontale richting van de optische golfgeleider. Het experiment heeft aangetoond dat wanneer de straal de optische golfgeleider binnenkomt onder een bepaalde invalshoek, de straal zich gedeeltelijk kan voortplanten in de optische golfgeleider en kan worden uitgekoppeld, zoals weergegeven in figuur 3b.

een Simulatiestructuur van het lichtkoppelingsproces, b elektromagnetische distributie van het ingekoppelde licht

Vervaardiging

De invoer- en uitvoermodus van flexibele en rekbare optische golfgeleider is roosterkoppeling, die wordt vervaardigd door nanoreplica-gieten met Si-masterroostersjabloon. De flexibele optische materialen die kunnen worden gebruikt voor de fabricage van flexibele en rekbare optische golfgeleiders omvatten PDMS, SU8, PMMA en buigbaar chalcogenideglas. Het fabricageproces van een flexibele en rekbare golfgeleider is als volgt:(1) Masterwafersjabloon. De nanograting-sjabloon heeft een roosterperiode van 850 nm, vulfactor 0,5 (LightSmyth Technologies, Inc.). (2) Oppervlaktemodificatie. De voorbereide siliconenwafelsjabloon werd in hydrofoob silaan geplaatst en 15 minuten geweekt. Vervolgens werd het gereinigd met IPA en gedroogd met stikstofgas, om de oppervlakte-eigenschappen van Si-roostersjabloon te veranderen (van hydrofiel naar hydrofoob). (3) Opofferende laag. De polyvinylalcohol (PVA)-oplossing (concentratie 10%) werd door spinnen gecoat op 4′' Si-wafel en vervolgens gedroogd bij 75 ⁰ C gedurende 30 min. (4) Sjabloon van roostergolfgeleider. Twee 855 nm Si-roosters werden bovenop de PVA-opofferingslaag geplaatst. Zorg ervoor dat de oriëntatie van de twee roostersjablonen hetzelfde is en dat de roosters naar boven gericht zijn, en de relatieve afstand tussen de sjablonen. (5) Niet-uitgeharde PDMS coaten. Mengen van niet-uitgehard PDMS en verharder met een verhouding van 10:1. Vervolgens wordt de niet-uitgeharde PDMS geroerd om gelijkmatig te mengen. Daarna wordt het mengsel in een vacuümdoos geplaatst en gedurende 10 minuten ontgast. Ten slotte wordt het niet-uitgeharde PDMS spin-gecoat op het rooster van de golfgeleidersjabloon. (6) Op PDMS gebaseerde golfgeleider strippen. Het plaatsen van de optische golfgeleider die stolde op PVA in water en 10 uur baden om PVA op te lossen. De flexibele en rekbare optische golfgeleider en de afpellende golfgeleider van siliconenroostersjablonen verwijderen, zoals weergegeven in figuur 4. De grootte van de flexibele en rekbare optische golfgeleiderstructuur die in dit document is ontworpen, is instelbaar. In volgende toepassingen kunnen onderzoekers de structurele grootte van de optische golfgeleider aanpassen op basis van hun vereisten. De flexibele en rekbare optische golfgeleider kan hoofdzakelijk worden aangepast vanuit de volgende twee aspecten:(1) verklein de grootte van de Si-sjabloon; (2) verklein de afstand van de transmissielaag van het rooster. Via de bovenstaande twee methoden kan de grootte van de flexibele en rekbare optische golfgeleider adaptief worden ontworpen en vervaardigd volgens de verpakkingsbehoeften.

Nanoreplica-fabricageproces van de flexibele en rekbare optische golfgeleidersensor

De nanograting-structuur is gemaakt door op grote schaal te kopiëren en te vormen. Het geselecteerde siliciumroostersjabloon heeft een periode van 850 nm, een duty cycle van 0,5 en een roosterhoogte van 200 nm, zoals weergegeven in figuur 5a. De kwaliteit van nanograting-morfologie bepaalt de koppelingsefficiëntie van ingangs- en uitgangslicht. Het AFM-beeld van nanoroosters op basis van replica-gieten is zoals weergegeven in figuur 5b. Uit de figuur blijkt dat de nanoroosterstructuur met een goede consistentie van de siliciumroostersjabloon naar het PDMS-substraat kan worden overgebracht. Er kan worden geconcludeerd dat de geselecteerde nanoreplica-vormmethode kan voldoen aan de vereisten van flexibele en rekbare fabricage van optische golfgeleiders.

AFM-afbeeldingen van nanoroosters:a Si nanograting-sjabloon, b nanoreplica-vormroosters op PDMS

Resultaten en discussie

Detectieplatform

Om de spanning en rek voor tactiele detectie met flexibele en rekbare golfgeleider te meten, werd een flexibel tactiele detectieplatform gebouwd. Het hele flexibele en rekbare experimentele platform voor optische golfgeleiders wordt getoond in Fig. 6a, en omvat hoofdzakelijk het volgende proces:(1) Invallende lichtbron. Een laserpunt met een golflengte van 632,8 nm wordt geselecteerd als invallend licht. (2) Lichtbronpositie en houdingsaanpassingsapparaat. Het is een mechanisch apparaat dat wordt gebruikt om de positie van de invallende lichtbron te bepalen en de invalshoek in realtime aan te passen. (3) Trekmeetapparaat. Het trekmeetapparaat bestaande uit Vernier Caliper en niet-standaard vaste onderdelen, dat kan worden gebruikt om de initiële lengte van flexibele en rekbare optische golfgeleider en de bijbehorende reklengtevariatie in het experiment nauwkeurig te meten. (4) Fotodetector. De fotodetector PM100D (Thorlabs, Inc.) heeft een detectiebereik voor lichtintensiteit van 500nW tot 500mW. In dit experimentele platform wordt de fotodetector gebruikt om de variatie van de outputlichtintensiteit op de flexibele en rekbare PDMS-gebaseerde optische golfgeleider te detecteren, en de gerelateerde druk en spanning kunnen worden berekend op basis van de veranderingshoeveelheid van de outputlichtintensiteit. Dit experimentele platform voor tactiele detectie is goedkoop, compatibel en kan worden gebruikt om druk en spanning te detecteren voor tactiele detectie. De spanningsprecisie kan oplopen tot 0,1%, met de precisie van de schuifmaat 0,02 mm. Tegelijkertijd wordt de fotodetector gebruikt om de variatie van de uitgangslichtintensiteit te detecteren, en de resolutie van de fotodiode-sonde is 10 PW. De flexibele en rekbare optische golfgeleider vervaardigd door nanoreplica-gieten wordt getoond in Fig. 6. Het kleurrijke vierkante gebied is het invoer- en uitvoergedeelte van de flexibele en rekbare optische golfgeleider, en het transparante gebied in het middelste gebied is het lichttransmissiegebied. Het kleurrijke effect wordt gegenereerd door lichtdiffractie op het roosteroppervlak. De flexibele rekbare optische golfgeleider wordt getoond in figuur 6b, het gekleurde gebied is de invoer- en uitvoerpoort van de flexibele rekbare optische golfgeleider en het middelste transparante gebied is het transmissiegebied van de optische golfgeleider. Het kleurenbeeld van de ingangs- en uitgangspoort van de roosterkoppeling wordt veroorzaakt door de diffractie van licht op het roosteroppervlak.

een Het tactiele detectieplatform, b Op nanograting gebaseerde flexibele en rekbare optische golfgeleider

Tactiele sensing-experimenten

Bij tactiele detectie zijn druk en spanning twee fysieke grootheden die vaak betrokken zijn bij robotachtige tactiele sensoren bij interactie met een externe omgeving. Dankzij realtime en nauwkeurige waarneming van druk en spanning kunnen robots de mate van mechanische vervorming in interactie met externe objecten nauwkeurig vastleggen, om de daaropvolgende optimale feedbackwerking te vergemakkelijken.

De testmethode voor de flexibele en rekbare optische golfgeleider is als volgt:(1) Een stabiele lichtstraal wordt gebruikt om in de golfgeleidertransmissielaag van de flexibele en rekbare optische golfgeleider door het koppelrooster onder een vaste hoek te vallen. Aan het andere uiteinde van het optische golfgeleiderapparaat wordt een fotodetector gebruikt om het uitgangslicht van de uitgangsroosterkoppeling te verzamelen. (2) Wanneer een externe kracht wordt uitgeoefend op de flexibele en rekbare optische golfgeleider, zal de structuur van de optische golfgeleider veranderen, wat leidt tot verzwakking van de uitgangslichtintensiteit. Door de demping van de lichtintensiteit te analyseren, kan de externe kracht nauwkeurig worden gemeten. (3) Wanneer een externe spanning wordt uitgeoefend op de flexibele en rekbare optische golfgeleider, kan de spanning ook nauwkeurig worden gemeten volgens de variatie in de uitgangslichtintensiteit. De druktest voor flexibele en rekbare optische golfgeleider werd uitgevoerd. In dit experiment wordt de flexibele en rekbare optische golfgeleider gefixeerd door twee glijdende koppen van schuifmaat, en een 632,8 nm laserbron wordt afgestemd om onder een optimale hoek in de ingangsroosterpoort te koppelen. De positie van de optimale hoek is gerelateerd aan het maximale vermogen dat wordt ontvangen door de vermogensmeter aan het uitgangseinde van het rooster. In het middelste gebied van de flexibele en rekbare optische golfgeleider wordt een drukmeter gebruikt om er geleidelijk druk op uit te oefenen, en de bijbehorende gegevens van de drukwaarde en de lichtintensiteit worden geregistreerd.

De experimentele resultaten worden getoond in Fig. 7a. Volgens de figuur neemt de uitgangslichtintensiteit van de optische golfgeleider af naarmate de toegepaste druk toeneemt, en is er een lineaire correlatie tussen de drukverandering en de uitgangskoppelingslichtintensiteit. Het drukdetectiebereik van de flexibele en rekbare optische golfgeleider is 0 tot 25 × 10^–3 N.

De flexibele en rekbare optische golfgeleider detectie-experimenten:a druk versus lichtintensiteitsverlies responsgrafiek, b spanning vs. reactiegrafiek verlies van lichtintensiteit

Het spanningsdetectie-experiment van flexibele en rekbare optische golfgeleider wordt uitgevoerd door een rekmechanisme met schaal. Ten eerste is de flexibele en rekbare golfgeleider voorgerekt om buigen door de zwaartekracht te voorkomen, zodat deze zich in horizontale toestand bevindt, en de initiële lengte L₀ wordt geregistreerd door de schuifmaat. Vervolgens wordt de flexibele en rekbare optische golfgeleider uitgerekt door het klemmechanisme aan beide uiteinden van de schuifmaat, en de lengte na het uitrekken wordt geregistreerd als L, waarna de overeenkomstige rek S kan worden berekend als:

$${\text{S}} =\frac{{L - L_{0} }}{{L_{0} }}$$ (4)

De experimentele resultaten van spanningsdetectie op basis van flexibele en rekbare optische golfgeleider worden getoond in de figuur. Volgens de figuur nam de optische output-intensiteit van de flexibele en rekbare optische golfgeleider geleidelijk af met de toename van de uitgeoefende spanning. Bovendien nam het optische vermogen af naarmate de uitgeoefende spanning toenam, en er is een lineaire correlatie tussen hen. Ondertussen is het spanningsdetectiebereik van flexibele en rekbare optische golfgeleiders 0 tot 12,5%, met een spanningsprecisie van 0,1%, zoals weergegeven in figuur 7b.

Het sensorsysteem kan in twee delen worden verdeeld:de flexibele en rekbare optische golfgeleider en de lichtdetector (de PM100D digitale vermogensmeter). Aangezien de vertraging van het licht dat door de op PDMS gebaseerde optische sensor wordt uitgezonden erg laag is en kan worden genegeerd, zijn de reactie- en herstelsnelheid voornamelijk afhankelijk van de lichtdetector. En de respons van de vermogensmeter in ons detectiesysteem is 25 Hz. De responstijd van de flexibele en rekbare optische golfgeleidersensor is dus 40 ms. De cyclusstabiliteit van de flexibele en rekbare optische sensor wordt onderzocht door de uitgeoefende spanning en druk te laden en te lossen. Bij een bepaalde toegepaste belasting tellen we het aantal rekken door herhaalde experimenten. En het resultaat laat zien dat het meer dan 3000 keer kan worden uitgerekt met stabiliteit. Bovendien, als het PDMS-materiaal wordt gemengd met PAAm (Polyacrylamide), overleeft het materiaal meer dan 30.000 belastingcycli [26].

Tegenwoordig zijn er enkele uitdagingen voor het vervaardigen van flexibele en rekbare optische apparaten. De belangrijkste reden is dat transparante en flexibele optische materialen die kunnen worden gebruikt voor rekken, echt beperkt zijn. Een andere reden is dat er nieuwe fabricagetechnologieën moeten worden ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om snelle prototyping en fabricage van micro- en nanostructuren op basis van flexibele optische materialen te realiseren. De flexibele en rekbare optische golfgeleider is een origineel ontwerp, het verlies van de golfgeleider zal worden verhoogd met PDMS als de kernlaag van de golfgeleider. Onlangs zijn enkele flexibele optische materialen voorgesteld [21, 27,28,29,30]. Wan et al. fabriceerde een flexibel fotonisch papier met nanokristallen van cellulose en watergedragen polyurethaanlatex [31]. De structuur van de optische golfgeleider kan in de toekomst worden verbeterd met deze verwante flexibele optische materialen.

Conclusie

Samengevat zijn flexibele en rekbare golfgeleiders geschikt voor toepassingen op het gebied van tactiele sensing, gezondheidszorg en flexibele elektronica. De flexibele en rekbare optische golfgeleider is vervaardigd op de flexibele optische materialen met een siliconenroostersjabloon en de nanoroosterstructuur kan worden overgebracht naar het flexibele optische materiaal door middel van nanoreplica-gieten. De gefabriceerde flexibele en rekbare optische golfgeleider heeft de voordelen van snelle prototyping, lage kosten en gemakkelijk te fabriceren. De fabricagetechnologie van flexibele en rekbare optische golfgeleiders was bestudeerd en de optimale fabricagetechnologie werd ontwikkeld door de combinatie van het voorbereidingsproces van de opofferingslaag, de voorbereiding van de siliciumroostersjabloon, de hydrofobe behandeling en de technologie voor de voorbereiding van flexibele materialen. De flexibele en rekbare optische golfgeleider had een spanningsdetectiebereik van 0 tot 12,5% en het externe krachtdetectiebereik is 0 tot 23 × 10^–3 N. Flexibele en rekbare op optische golfgeleiders gebaseerde meetinrichtingen hebben de kenmerken van flexibiliteit, rekbaarheid en gemakkelijk aan te passen aan het gebogen oppervlak, in vergelijking met conventionele stijve optische golfgeleiders. Het flexibele optische materiaal dat in dit apparaat wordt gebruikt, is PDMS, dat kan worden gebruikt om de trekeigenschappen van flexibele en rekbare optische golfgeleiders tot meer dan 50% te verbeteren. Het apparaat kan de rekbaarheid en flexibiliteit van de flexibele rekbare optische golfgeleider volledig benutten en nauwkeurig de verandering meten in de optische uitgangsvermogensintensiteit van de optische golfgeleider die wordt veroorzaakt door veranderingen in externe fysieke grootheden (druk, spanning, enz.).

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

IPA:: Isopropylalcohol
DI-water:: Gedeïoniseerd water
FDTD:: Eindig verschil tijdsdomein
PDMS:: Polydimethylsiloxaan

Structuuronderzoek van eilanden met atomaire boor-koolstofdubbellagen in zwaar met boor gedoteerd diamanten eenkristal:oorsprong van stapsgewijze trekspanning Onderzoek van thermometrie in tweedimensionale Sb2Te3 van temperatuurafhankelijke Raman-spectroscopie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal