Nanograting-versterkte Flexibele Golfgeleider voor Geavanceerde Tastzintuiging

Samenvatting

Op basis van de eigenschappen van optische golfgeleiders en flexibele optische materialen wordt een flexibele en rekbare optische golfgeleiderstructuur voorgesteld gericht op tastzintuiging. Het meetprincipe berust op mechanische vervorming die leidt tot uitgaande lichtverlies. Hiermee worden de tekortkomingen van traditionele optische golfgeleiders overwonnen, die niet kunnen aansluiten bij oneffen oppervlakken. De flexibele en rekbare golfgeleider wordt geproduceerd met een nanoreplica-vormtechniek en toegepast voor druk- en rekmetingen in tastzintuiging. De golfgeleider heeft een rekdetectiebereik van 0 tot 12,5% en een krachtdetectiebereik van 0 tot 23 × 10^–3 N.

Inleiding

Een optische golfgeleider is een structuur die de transmissie van lichtgolven begeleidt. Conventionele starre golfgeleiders voldoen niet aan de eisen van flexibele elektronica en zachte robotica. Flexibele en rekbare apparaten zijn essentieel voor robotische tastzintuigingssystemen, omdat ze mens-machine-interactie waarnemen met hoge flexibiliteit, rekbaarheid, aanpassingsvermogen, gevoeligheid, bio-compatibiliteit en immuuniteit voor elektromagnetische storingen. Eerdere studies lieten bio-geïnspireerde flexibele druk sensors zien op basis van Ti3C2/MC biocomposite films en zijde fibroïne-MXene films. Ook werden flexibele infrarood-detectiesystemen en golfgeleiders op basis van buigbare chalcogenide-glazen ontwikkeld. De integratie van nanograting-structuren in flexibele golfgeleiders opent perspectieven voor draagbare elektronica en robotica. Ondanks veelvoorkomend onderzoek blijft de vooruitgang in flexibele en rekbare golfgeleiders voor robotische tastzintuiging beperkt.

In dit artikel ontwerpen en produceren we een nieuwe flexibele en rekbare optische golfgeleider met een nanoreplica-vormproces. De golfgeleider fungeert als tastzintuigingsapparaat voor druk- en rekmetingen in draagbare en gezondheidszorgtoepassingen. De fabricage geschiedt op een silicium master wafer met PDMS als substraat. Een nanograting master wafer creëert grating-structuren als in-/uitgangskoppelaars. Alle parameters worden geanalyseerd tijdens de fabricage. De resulterende golfgeleider meet druk en rek in tastzintuiging.

Methoden

Principe van de Flexibele en Rekbare Golfgeleider

Voor een flexibele en rekbare optische golfgeleider-sensor is de brekingsindex van de geleidlaag (n_waveguide) hoger dan die van de omgeving (n_external). PDMS met brekingsindex 1,41 voldoet hieraan ten opzichte van lucht (1,0). Tastzintuiging vereist detectie van fysieke parameters (druk, rek) via veranderingen in uitgaande lichtintensiteit. Mechanische vervorming door externe krachten verandert de lichtintensiteit, wat kwantitatieve meting mogelijk maakt.

Figuur 1 toont het schema: 1) flexibele golfgeleiderfilm, 2) periodieke nanograting-diepte, 3) golfgeleiderlengte, 4) nanograting-periode, 5) nanograting-breedte, 6) grating-gekoppelde invoer, 7) grating-gekoppelde uitvoer. De koppeling bestaat uit invoer- (6) en uitvoergebied (7). De sensing werkt via de relatie tussen uitgaande lichtintensiteit en externe fysische grootheden.

Wanneer licht onder een bepaalde hoek in de golfgeleider gekoppeld wordt, propageert het over afstand L en koppelt uit via de uitvoerkoppelaar. De uitgaande intensiteit is I₀. Bij vervorming door druk F of rek S verandert de intensiteit met ΔI₀, wat leidt tot de relaties ΔI₀ = f(F) en ΔI₀ = f(S).

Simulatie en Analyse

Omdat het apparaat bij tactiele sensing kan beschadigen door spanning, worden statische simulaties uitgevoerd met ABAQUS. Modelparameters: grating-periode 850 nm, duty cycle 0,5, dikte 2 mm, grating-hoogte 200 µm, Young's modulus 1 MPa, Poisson's ratio 0,48, dichtheid PDMS 0,98 g/cm³. De belasting is een trekverplaatsing van 10% in horizontale richting. Figuur 2 toont de spanning-vervormingsverdeling. De vervorming is symmetrisch en uniform in de onderste laag van de grating-structuur. Spanningconcentratie ligt bij de verbinding van grating en blokstructuur, met een maximum van 0,13 MPa. De simulatie bevestigt de goede trekeigenschappen en stabiliteit voor rek-sensing.

Voor lichttransmissieverificatie wordt FDTD elektromagnetische simulatie gebruikt. Vanwege symmetrie wordt één grating-koppelaar bestudeed. Duty cycle 0,5, periode en hoogte volgens ontwerp. Figuur 3a toont de structuur. Bij inval van een Gaussiaans rood lichtbundel onder 13,54 graden koppelt het grootste deel in de golfgeleider en propageert horizontaal. Figuur 3b bevestigt dat het licht deels propageert en uitkoppelt.

Fabricage

De in-/uitvoermodus is grating-koppeling, geproduceerd met nanoreplica-vorming met een silicium master grating-sjabloon. Geschikte materialen zijn PDMS, SU8, PMMA en buigbaar chalcogenide-glas. Het proces:

1. Master wafer sjabloon: nanograting met periode 850 nm, vulfactor 0,5 (LightSmyth Technologies).
2. Oppervlaktemodificatie: silicium sjabloon 15 min in hydrophobe silaan, daarna gereinigd met IPA en gedroogd met stikstof.
3. Offerlaag: 10% PVA-oplossing gespind op 4'' Si-wafer, gedroogd 30 min bij 75 °C.
4. Grating-golfgeleider sjabloon: twee 855 nm Si-gratingen op PVA-laag, gelijke oriëntatie, gratings omhoog.
5. Ongecureerd PDMS aanbrengen: PDMS en hardener 10:1 mengen, roeren, 10 min vacuüm degaassen, spindoop op sjabloon.
6. PDMS golfgeleider losmaken: in water 10 uur baden om PVA op te lossen, golfgeleider afpellen van silicium sjablonen (Figuur 4).

De grootte is aanpasbaar door de Si-sjabloon te verkleinen of de afstand van de transmissielaag te verminderen.

De nanograting-structuur wordt grootschalig gekopieerd. De Si-sjabloon heeft periode 850 nm, duty cycle 0,5, hoogte 200 nm (Figuur 5a). AFM-beeld van de gerepliceerde grating op PDMS (Figuur 5b) toont goede consistentie, wat de geschiktheid van de methode bevestigt.

Resultaten en Discussie

Tastzintuigingsplatform

Om spanning en rek te meten, werd een flexibel tastzintuigingsplatform gebouwd (Figuur 6a): 1) 632,8 nm laserbron, 2) mechanische positie/hoekverstel, 3) trekmeteenheid (schuifmaat en vaste onderdelen), 4) fotodetector PM100D (Thorlabs, 500 nW – 500 mW). De detector meet uitgaande lichtintensiteitsveranderingen voor druk- en rekberekening. Het platform is laagprijs, compatibel en meet met rekprecisie 0,1% (schuifmaat 0,02 mm) en fotodioderesolutie 10 pW.

Figuur 6b toont de gefabriceerde golfgeleider: kleurrijke gebieden zijn in-/uitvoerkoppelaars (door diffractie), het transparante midden is de transmissiezone.

Tastzintuigingsexperimenten

Druk en rek zijn cruciale fysische grootheden in robotische tastzintuiging. Realtime, nauwkeurige perceptie stelt robots in staat mechanische vervorming te kwantificeren voor optimale feedback.

Testmethode: 1) Stable lichtbundel in koppelen via invoergrating op vaste hoek, fotodetector aan uitvoerkoppelaar. 2) Externe kracht vervormt structuur, verzwakt uitgaande intensiteit; analyse geeft kracht. 3) Externe rek meetbaar via intensiteitsverandering.

Drukexperiment: golfgeleider vastgeklamd in schuifmaatkoppen, laser gekoppeld op optimale hoek. Drukmeter oefent geleidelijk druk uit in het midden, data van druk en intensiteit worden vastgelegd. Resultaat (Figuur 7a): uitgaande intensiteit daalt lineair met toenemende druk. Bereik: 0 tot 25 × 10^–3 N.

Reksperiment: golfgeleider voorgerekt tot horizontale toestand, initiële lengte L₀ gemeten. Daarna gerekt met klemmechanisme, lengte L gemeten, rek S = (L - L₀)/L₀. Resultaat (Figuur 7b): intensiteit daalt lineair met rek. Bereik: 0 tot 12,5%, precisie 0,1%.

Responstijd: lichtvertraging in PDMS is verwaarloosbaar, responstijd hangt af van detector (PM100D, 25 Hz) → 40 ms. Cyclische stabiliteit: > 3000 rekcycli stabiel. Met PAAm-geadditiveerd PDMS: > 30.000 cycli.

Uitdagingen: beperkte transparante, flexibele optische materialen en behoefte aan snelle prototyping nanofabricage. PDMS als kernlaag verhoogt golfgeleiderverlies. Toekomstige verbetering met nieuwe flexibele optische materialen (bijv. cellulosenanokristallen met waterborne polyurethaanlatex).

Conclusie

Flexibele en rekbare golfgeleiders zijn geschikt voor tastzintuiging, gezondheidszorg en flexibele elektronica. Fabricage op flexibele optische materialen met silicium grating-sjabloon, nanograting overgebracht via nanoreplica-vorming. Voordelen: snelle prototyping, laag kostprijs, eenvoudige fabricage. Optimale technologie combineert offerlaagbereiding, silicium sjabloon, hydrophobe behandeling en flexibel materiaalbereiding. Rekbereik 0–12,5%, krachbereik 0–23 × 10^–3 N. Ten opzichte van starre golfgeleiders: flexibiliteit, rekbaarheid, gemakkelijke aanpassing aan gekromde oppervlakken. PDMS verbetert trekeigenschappen tot > 50%. Het apparaat meet nauwkeurig uitgaande optische vermogensveranderingen door externe fysische grootheden (druk, rek).

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data zijn zonder beperkingen beschikbaar.

Afkortingen

IPA:

Isopropylalcohol

DI water:

Gedemineraliseerd water

FDTD:

Finite Difference Time Domain

PDMS:

Polydimethylsiloxaan