Ein auf Nanogitter basierender flexibler und dehnbarer Wellenleiter für die taktile Wahrnehmung

Einführung

Optischer Wellenleiter ist eine Struktur, die die Übertragung von Lichtwellen leitet [1,2,3,4]. Herkömmliche starre Lichtwellenleiter können den Anforderungen flexibler Elektronik und Softrobotik nicht gerecht werden [5,6,7]. Flexible und dehnbare Geräte werden ein wichtiger Bestandteil für taktile Robotersysteme sein, die die Wahrnehmung der Mensch-Maschine-Interaktion erkennen können und ein hohes Maß an Flexibilität, Dehnbarkeit, Anpassungsfähigkeit, Empfindlichkeit, Biokompatibilität und Immunität gegen elektromagnetische Störungen aufweisen [8, 9,10,11,12]. Wanget al. stellte einen bioinspirierten flexiblen Drucksensor basierend auf einem Ti3C2/MC-Biokompositfilm mit einer Druckempfindlichkeit von 24,63 kPa ⁻¹ . her , und Seiden-Fibroin-MXene-Folie wurden ebenfalls als biokompatibel und hochleistungsfähiger Drucksensor verwendet [13, 14]. Ranet al. stellte ein flexibles biomimetisches Infrarot-(IR)-Detektionsverstärkungssystem für die kontrastreiche Abbildung von IR-Licht her, und die maximale Lichtempfindlichkeit kann bis zu 7,6 × 10 ⁴ . erreichen unter der Wellenlänge von 1342 nm [15]. Der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter basierend auf einer Nanogitterstruktur kann mit Flexibilität und Dehnbarkeit zu taktilen Sensorgeräten verarbeitet werden und findet eine umfassende Anwendung im Bereich tragbarer Elektronik und Robotik. Liet al. stellten eine flexible Wellenleitervorrichtung auf der Grundlage von biegsamem Chalkogenidglas her, und eine Multi-Neural-Achsen-Theorie wurde verwendet, um die Dehnungsverteilung zu optimieren [16]. Außerdem war der Glaswellenleiter in Serpentinenform mit einer Dehnbarkeit von 42% Zugspannung ausgelegt. Neben neuartigen flexiblen optischen Materialien wurden viele hochmoderne Fertigungstechnologien bei der Herstellung flexibler und dehnbarer Wellenleiter eingesetzt [17, 18]. Samusjewet al. stellten einen flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiter durch Photopolymerisation durch Tintenstrahldruck her, und der Wellenleiter hatte eine Dehnbarkeit von 120% [19]. Um Flexibilität und Dehnbarkeit von optischen Wellenleiterbauelementen basierend auf Nanogitterstrukturen zu erreichen, werden als Eckpfeiler neue weiche Materialien mit optischer Transparenz benötigt. Heutzutage werden ständig neue Materialien entwickelt, um flexible und dehnbare Photonensensorgeräte herzustellen [11, 20]. Sie haben mehrere gemeinsame Eigenschaften, darunter Transparenz, Flexibilität und Dehnbarkeit. Diese neuen optisch weichen Materialien lassen sich in folgende Kategorien einteilen:Elastomere, kolloidale Kristalle, Hydrogele und synthetische Opale [21,22,23]. Mit der schrittweisen Entwicklung flexibler und dehnbarer optischer Wellenleitergeräte auf Basis flexibler optischer Materialien und Mikro-/Nanofertigungstechnologien wurde die Anwendung flexibler und dehnbarer optischer Wellenleiter in der taktilen Wahrnehmung, tragbaren Elektronik und der persönlichen Gesundheitsdiagnose schrittweise erweitert. Andreaset al. verwendeten Polystyrol-Polymer als Deckschicht und fluoriertes Polymer als Transmissionsschicht, um ultrahohe Dehnbarkeits- und elastoplastische optische Wellenleiter-Sensorvorrichtungen herzustellen, deren Zugfestigkeit 300% überschreiten kann [24]. Alexanderet al. verwendeten holographische Technologie und UV-Templat-Härtungsverfahren, um flexibles Beugungsgitterlicht auf PDMS-Material, gemischt mit lichtempfindlichen Benzophenon-Molekülen, herzustellen [25]. Obwohl viele Forscher flexible oder dehnbare Lichtwellenleiter implementiert haben, gibt es nur wenige Forschungsfortschritte bei flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern, insbesondere im Bereich der taktilen Sensorik von Robotern.

In diesem Artikel wurde ein neuartiger flexibler und dehnbarer optischer Wellenleiter entworfen und mit einem Nanoreplik-Formverfahren hergestellt. Der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter ist ein wichtiges taktiles Sensorgerät und kann verwendet werden, um Druck- und Dehnungssensoren für tragbare und medizinische Anwendungen zu realisieren. Der flexible und dehnbare Wellenleiter wurde auf einem Silizium-Masterwafer mit PDMS als Substrat hergestellt. Ein Nanogitter-Masterwafer wurde verwendet, um Gitterstrukturen auf Lichtwellenleitern als Ein-/Aus-Koppler zu erzeugen. Alle relevanten Parameter wurden während des Herstellungsprozesses analysiert und berechnet. Der hergestellte flexible und dehnbare Lichtwellenleiter wurde zur Druck- und Dehnungsmessung im Bereich der taktilen Sensorik eingesetzt.

Methoden

Prinzip des flexiblen und dehnbaren Wellenleiters

Bei einem flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitersensor beträgt der Brechungsindex der geführten Schicht n_Wellenleiter und der Brechungsindexkoeffizient der Umgebungsumgebung des Wellenleiters ist n_extern , das die folgende Beziehung erfüllt:

In dieser Veröffentlichung wird PDMS als optische Wellenleiterschicht ausgewählt, und sein Brechungsindexkoeffizient beträgt 1,41, was höher ist als der Brechungsindexkoeffizient von Luft 1,0, so dass es als einfacher optischer Wellenleiter verwendet werden kann. Die Realisierung der taktilen Abtastung erfordert, dass der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter basierend auf der taktilen Abtastung verschiedene physikalische Parameter (Druck, Dehnung usw.) der Umgebung erfassen kann. Wenn die flexible und dehnbare optische Wellenleiter-Erfassungsvorrichtung durch die äußere Umgebung beeinflusst wird, hängt die Intensität der abgegebenen Lichtleistung intrinsisch mit der mechanischen Störung zusammen, die durch Spannung oder Dehnung verursacht wird. Entsprechend der Variation der Ausgangslichtintensität kann die durch die äußere Umgebungskraft verursachte Verformung des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters festgestellt werden. Durch Berechnung der Änderung der Ausgangslichtintensität können die externen physikalischen Variationen quantitativ gemessen werden.

Das schematische Diagramm einer flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter-Erfassungsvorrichtung, wie in Fig. 1a gezeigt. Der Teil des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters umfasst:1, flexibler und dehnbarer Lichtwellenleiterfilm; 2, periodische Nanogittertiefe; 3, Länge des Lichtwellenleiters; 4 Nanogitterperiode; 5, Nanograting-Breite; 6, Gitter gekoppelter Eingang, 7, Gitter gekoppelter Ausgang. Die Gitterkopplung des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters besteht aus dem Teil 6-Gitter-Kopplungsbereich und Teil 7-Gitter-Kopplungsbereich zur Ein- und Ausgangslichtintensität. Das Erfassen des Lichtwellenleiters wird durch den flexiblen dehnbaren Lichtwellenleiter mit externen physikalischen Größen (Druck, Dehnung usw.) durchgeführt, um die entsprechende Beziehung zwischen der Ausgangslichtintensität und den Änderungen der externen physikalischen Größen zu erhalten, wie in Abb. 1b . gezeigt .

a Druck- und Dehnungsmessprinzip, b Schema des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters

Wenn ein Lichtwellenstrahl von dem Gitterkoppler unter einem bestimmten Winkel in den optischen Wellenleiter eingekoppelt wird, überträgt er eine Strecke L im optischen Wellenleiter und wird dann durch den Ausgangsgitterkoppler ausgekoppelt. Es wird angenommen, dass die Ausgangslichtintensität I₀ . beträgt . Wenn die flexible und dehnbare optische Wellenleiterstruktur durch den angelegten externen Druck F oder die Belastung S verformt wird, beträgt ihre entsprechende Lichtintensitätsänderung des optischen Wellenleiterausgangs ΔI₀ , also ist die Beziehung zwischen der Ausgangslichtintensität und dem Druck:

Die Beziehung zwischen der Variation der Lichtintensität und der angelegten Belastung ist:

Simulationsergebnis und -analyse

Das flexible und dehnbare optische Wellenleiterstrukturmaterial ist ein weiches Material mit Flexibilität und Dehnbarkeit. Wenn der flexible dehnbare optische Wellenleiter eine taktile Erfassung durchführt, kann die Vorrichtung aufgrund der während des Verformungsvorgangs eingestellten Belastung beschädigt werden oder nicht richtig funktionieren. Daher ist es bei der Herstellung flexibler und dehnbarer optischer Wellenleitervorrichtungen erforderlich, statische Simulationen an photonischen Kristallstrukturen durchzuführen, die mit verschiedenen Materialien hergestellt wurden, und die Verteilung der inneren Spannungen und Dehnungen in der Struktur zu analysieren, wenn sie einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, um eine Zugverformung zu erzeugen . Für die Finite-Elemente-Simulation wurde die Software ABAQUS verwendet. Die Modellparameter wurden wie folgt festgelegt:Gitterperiode 850 nm, Arbeitszyklus 0,5, Materialdicke 2 mm, Gitterhöhe 200 Mikrometer, Young-Modul beträgt 1 MPa, Poisson-Verhältnis beträgt 0,48 und die Dichte von PDMS wird auf 0,98 g/cm² eingestellt ³ . Die Belastung ist definiert als die auf beiden Seiten des Lichtwellenleiters aufgebrachte Zugverschiebung, die anderen Richtungen sind fest, was bedeutet, dass das Gerät in horizontaler Richtung um 10% gestreckt wird. Das Spannungs-Dehnungs-Modalverteilungsdiagramm des PDMS-Lichtwellenleiters ist in Abb. 2 dargestellt. Aus Abb. 2a ist ersichtlich, dass die morphologischen Änderungen der Belastung hauptsächlich im unteren Teil der Gitterschichtstruktur verteilt sind, und die Belastung ist auf beiden Seiten symmetrisch und gleichmäßiger verteilt. Die Spannungskonzentration liegt hauptsächlich in dem Teil vor, in dem das Gitter und die Blockstrukturen verbunden sind, und die maximale Spannung beträgt weniger als 0,13 MPa, wie in Abb. 2b gezeigt. Die mechanische Simulationsanalyse zeigt, dass der auf PDMS basierende Gitterstrukturwellenleiter sehr gute Zugeigenschaften aufweist und das Simulationsexperiment unterstützt die Stabilität der Dehnungserfassungsfunktion der flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiterstruktur.

Finite-Elemente-Simulation des flexiblen und dehnbaren Wellenleiters:a Elastische Dehnung; b Stress

Das Erfassungsprinzip des taktilen Sensors mit flexiblem Lichtwellenleiter besteht darin, dass, wenn Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und übertragen wird, ein Lichtübertragungsverlust aufgrund von externer Spannung und Dehnung auftritt, und der Zweck der Spannungs- und Dehnungserfassung wird durch Berechnung des Verlustes erreicht. Daher ist für die entworfene optische Wellenleitervorrichtung basierend auf der Nanogitterstruktur eine Simulation des elektrischen Felds erforderlich, um den Transmissionszustand von Licht in dem optischen Wellenleiter zu verifizieren. Im elektromagnetischen Simulationsexperiment wird die elektromagnetische Simulationssoftware FDTD für Analyse und Design verwendet. Da der entworfene Lichtwellenleiter eine symmetrische Struktur hat, werden die Gitterkoppler an beiden Enden als Forschungsobjekt ausgewählt. Das Tastverhältnis des Gitters beträgt 0,5, die Periode des Gitters ist und die Höhe des Gitters ist. Seine Grundstruktur ist in Abb. 3a dargestellt. Wenn ein Gaußscher Rotlichtstrahl in den Lichtwellenleiter unter einem Einfallswinkel von 13,54 Grad eingekoppelt wird, kann der größte Teil des Weißlichtstrahls in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden und sich entlang der horizontalen Richtung des Lichtwellenleiters ausbreiten. Das Experiment bestätigte, dass sich der Strahl, wenn er unter einem bestimmten Einfallswinkel in den Lichtwellenleiter eintritt, teilweise im Lichtwellenleiter ausbreiten und ausgekoppelt werden kann, wie in Abb. 3b gezeigt.

a Simulationsstruktur des Lichtkopplungsprozesses, b elektromagnetische Verteilung des einkoppelnden Lichts

Herstellung

Der Eingangs- und Ausgangsmodus des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters ist die Gitterkopplung, die durch Nanoreplik-Formgebung mit Si-Master-Gitterschablone hergestellt wird. Zu den flexiblen optischen Materialien, die für die Herstellung flexibler und dehnbarer Lichtwellenleiter verwendet werden können, gehören PDMS, SU8, PMMA und biegsames Chalkogenidglas. Der Herstellungsprozess des flexiblen und dehnbaren Wellenleiters ist wie folgt:(1) Master-Wafer-Vorlage. Die Nanogittervorlage hat eine Gitterperiode von 850 nm, Füllfaktor 0,5 (LightSmyth Technologies, Inc.). (2) Oberflächenmodifikation. Die vorbereitete Siliziumwaferschablone wurde in hydrophobes Silan gelegt und 15 Minuten lang eingeweicht. Dann wurde es mit IPA gereinigt und mit Stickstoffgas getrocknet, um die Oberflächeneigenschaften der Si-Gittervorlage (von hydrophil zu hydrophob) zu ändern. (3) Opferschicht. Die Polyvinylalkohol (PVA)-Lösung (Konzentration 10%) wurde durch Schleuderbeschichtung auf einen 4′’ Si-Wafer aufgetragen und dann bei 75 ⁰ . getrocknet C für 30 Minuten. (4) Schablone des Gitterwellenleiters. Auf der PVA-Opferschicht wurden zwei 855-nm-Si-Gitter platziert. Stellen Sie sicher, dass die Ausrichtung der beiden Gitterschablonen gleich ist und die Gitter nach oben zeigen, sowie den relativen Abstand zwischen den Schablonen. (5) Beschichten von ungehärtetem PDMS. Mischen von ungehärtetem PDMS und Härter im Verhältnis 10:1. Dann wird das ungehärtete PDMS gerührt, um es gleichmäßig zu mischen. Danach wird die Mischung in eine Vakuumbox gegeben und 10 min entgast. Schließlich wird das ungehärtete PDMS auf die Gitterwellenleiterschablone schleuderbeschichtet. (6) Abisolieren des PDMS-basierten Wellenleiters. Platzieren des Lichtwellenleiters, der sich auf PVA verfestigt hat, in Wasser und Baden für 10 Stunden, um PVA aufzulösen. Herausnehmen des flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiters und Abziehen des Wellenleiters von den Siliziumgitterschablonen, wie in Abb. 4 gezeigt. Die Größe der flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiterstruktur, die in dieser Arbeit entworfen wurde, ist einstellbar. In späteren Anwendungen können Forscher die Baugröße des Lichtwellenleiters ihren Anforderungen entsprechend anpassen. Der flexible und dehnbare optische Wellenleiter kann hauptsächlich unter den folgenden zwei Aspekten eingestellt werden:(1) Verringern der Größe des Si-Templats; (2) Reduzieren Sie den Abstand der Gitterübertragungsschicht. Durch die beiden obigen Verfahren kann die Größe des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters entsprechend den Verpackungsanforderungen adaptiv entworfen und hergestellt werden.

Herstellungsprozess des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitersensors im Nanoreplikat

Die Nanogitterstruktur wird durch großflächiges Kopieren und Formen hergestellt. Die ausgewählte Siliziumgitterschablone hat eine Periode von 850 nm, einen Arbeitszyklus von 0,5 und eine Gitterhöhe von 200 nm, wie in Fig. 5a gezeigt. Die Qualität der Nanogittermorphologie bestimmt die Kopplungseffizienz von Eingangs- und Ausgangslicht. Das AFM-Bild von Nanogittern basierend auf Replika-Formgebung ist wie in Abb. 5b gezeigt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Nanogitterstruktur mit einer guten Konsistenz von der Silizium-Gittervorlage auf das PDMS-Substrat übertragen werden kann. Daraus kann geschlossen werden, dass das gewählte Nanoreplik-Formverfahren die Anforderungen einer flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiterherstellung erfüllen kann.

AFM-Bilder von Nanogittern:a Si-Nanogitter-Vorlage, b Nanoreplica-Gießgitter auf PDMS

Ergebnisse und Diskussion

Sensorplattform

Um die Belastung und Dehnung für die taktile Sensorik mit flexiblen und dehnbaren Wellenleitern zu messen, wurde eine flexible taktile Sensorplattform gebaut. Die gesamte experimentelle Plattform für flexible und dehnbare optische Wellenleiter ist in Fig. 6a gezeigt und umfasst hauptsächlich den folgenden Prozess:(1) einfallende Lichtquelle. Als einfallendes Licht wird ein Laserpunkt mit einer Wellenlänge von 632,8 nm ausgewählt. (2) Vorrichtung zur Anpassung der Lichtquellenposition und -haltung. Es ist ein mechanisches Gerät, das verwendet wird, um die Position der einfallenden Lichtquelle zu fixieren und ihren Einfallswinkel in Echtzeit einzustellen. (3) Zugmessgerät. Das Zugmessgerät bestehend aus Messschieber und nicht normgerechten Festteilen, mit dem die Anfangslänge von flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern und die entsprechende Dehnungslängenvariation im Experiment genau gemessen werden können. (4) Fotodetektor. Der Photodetektor PM100D (Thorlabs, Inc.) hat einen Lichtintensitäts-Erfassungsbereich von 500 nW bis 500 mW. In dieser experimentellen Plattform wird der Photodetektor verwendet, um die Variation der Ausgangslichtintensität auf dem flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter auf PDMS-Basis zu detektieren, und der zugehörige Druck und die Belastung können basierend auf dem Änderungsbetrag der Ausgangslichtintensität berechnet werden. Diese experimentelle Plattform für taktile Sensorik ist kostengünstig, kompatibel und kann verwendet werden, um Druck und Belastung für die taktile Sensorik zu erkennen. Die Dehnungsgenauigkeit kann bis zu 0,1 % erreichen, wobei die Präzision des Messschiebers 0,02 mm beträgt. Gleichzeitig wird der Photodetektor verwendet, um die Variation der Ausgangslichtintensität zu detektieren, und die Auflösung der Photodiodensonde beträgt 10 PW. Der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter, der durch Nanoreplik-Formgebung hergestellt wurde, ist in Abb. 6 gezeigt. Der bunte quadratische Bereich ist der Eingangs- und Ausgangsteil des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters, und der transparente Bereich im mittleren Bereich ist der Lichtübertragungsbereich. Der Farbeffekt wird durch Lichtbeugung an der Gitteroberfläche erzeugt. Der flexible dehnbare Lichtwellenleiter ist in Fig. 6b gezeigt, der farbige Bereich ist der Eingangs- und Ausgangsanschluss des flexiblen dehnbaren Lichtwellenleiters und der mittlere transparente Bereich ist der Übertragungsbereich des Lichtwellenleiters. Das Farbbild des Gitterkopplungs-Eingangs- und Ausgangsports wird durch die Beugung des Lichts an der Gitteroberfläche verursacht.

a Die taktile Sensorplattform, b Flexibler und dehnbarer Lichtwellenleiter auf Nanogitterbasis

Experimente zur taktilen Wahrnehmung

Bei der taktilen Sensorik sind Druck und Belastung zwei physikalische Größen, die häufig bei taktilen Sensoren von Robotern involviert sind, wenn sie mit der äußeren Umgebung interagieren. Die genaue Wahrnehmung von Druck und Dehnung in Echtzeit kann es Robotern ermöglichen, den Grad der mechanischen Verformung in Interaktion mit externen Objekten präzise zu erfassen, um eine anschließende optimale Feedback-Operation zu ermöglichen.

Das Testverfahren für den flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter ist wie folgt:(1) Ein stabiler Lichtstrahl wird verwendet, um in einem festen Winkel durch das Kopplungsgitter in die Wellenleiterübertragungsschicht des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters einzufallen. Am anderen Ende der optischen Wellenleitervorrichtung wird ein Fotodetektor verwendet, um das Ausgangslicht von dem Ausgangsgitterkoppler zu sammeln. (2) Wenn auf den flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter eine äußere Kraft ausgeübt wird, ändert sich die Struktur des Lichtwellenleiters, was zur Abschwächung der Ausgangslichtintensität führt. Durch Analysieren der Abschwächung der Lichtintensität kann die externe Kraft genau gemessen werden. (3) Wenn auf den flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiter eine externe Belastung ausgeübt wird, kann die Belastung auch entsprechend der Variation der Ausgangslichtintensität genau gemessen werden. Der Drucktest für flexible und dehnbare Lichtwellenleiter wurde durchgeführt. In diesem Experiment wird der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter durch zwei verschiebbare Messschieberköpfe fixiert und 632,8 nm-Laserquellen werden so abgestimmt, dass sie in einem optimalen Winkel in den Eingangsgitteranschluss einkoppeln. Die Position des optimalen Winkels hängt von der maximalen Leistung ab, die der Leistungsmesser am Ausgangsende des Gitters empfängt. Im mittleren Bereich des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters wird mit einem Druckmesser nach und nach Druck ausgeübt und die entsprechenden Daten des Druckwertes und der Lichtintensität aufgezeichnet.

Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. 7a dargestellt. Gemäß der Figur nimmt die Ausgangslichtintensität des Lichtwellenleiters ab, wenn der aufgebrachte Druck zunimmt, und es besteht eine lineare Korrelation zwischen der Druckänderung und der Ausgangskopplungslichtintensität. Der Druckmessbereich des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters beträgt 0 bis 25 × 10 ^–3 N.

Die flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter-Sensorexperimente:a Druck- vs. Lichtintensitäts-Reaktionsdiagramm, b Dehnungs- vs. Lichtintensitätsverlust-Reaktionsdiagramm

Das Dehnungsmessexperiment mit flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern wird durch einen Dehnungsmechanismus mit Skala durchgeführt. Zuerst wird der flexible und dehnbare Wellenleiter vorgedehnt, um eine Biegung aufgrund der Schwerkraft zu vermeiden, so dass er sich in einem horizontalen Zustand befindet und seine Anfangslänge L₀ wird vom Messschieber erfasst. Dann wird der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter durch den Klemmmechanismus an beiden Enden des Messschiebers gedehnt, und die Länge nach dem Dehnen wird als L aufgezeichnet, dann kann die entsprechende Dehnung S berechnet werden als:

Die experimentellen Ergebnisse der Dehnungsmessung basierend auf flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern sind in der Abbildung dargestellt. Gemäß der Figur nahm die optische Ausgangsintensität des flexiblen und dehnbaren optischen Wellenleiters mit der Zunahme der angelegten Spannung allmählich ab. Darüber hinaus nahm die optische Leistung mit zunehmender angelegter Belastung ab, und es besteht eine lineare Korrelation zwischen ihnen. Indessen beträgt der Dehnungsmessbereich des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiters 0 bis 12,5 % mit einer Dehnungsgenauigkeit von 0,1 %, wie in Abb. 7b gezeigt.

Das Sensorsystem kann in zwei Teile unterteilt werden:den flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleiter und den Lichtdetektor (der digitale Leistungsmesser PM100D). Da die Verzögerung des durch den PDMS-basierten optischen Sensor übertragenen Lichts sehr gering ist und vernachlässigt werden kann, hängen die Reaktion und die Erholungsgeschwindigkeit hauptsächlich vom Lichtdetektor ab. Und die Ansprechrate des Leistungsmessers in unserem Erkennungssystem beträgt 25 Hz. Die Reaktionszeit des flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitersensors beträgt also 40 ms. Die Zyklenstabilität des flexiblen und dehnbaren optischen Sensors wird durch Be- und Entlastung der aufgebrachten Belastung und des Drucks untersucht. Bei einer bestimmten aufgebrachten Last zählen wir die Anzahl der Dehnungen durch wiederholte Versuche. Und das Ergebnis zeigt, dass es stabil über 3000 Mal gedehnt werden kann. Wenn das PDMS-Material außerdem mit PAAm (Polyacrylamid) gemischt wird, übersteht das Material über 30.000 Lastzyklen [26].

Heutzutage gibt es einige Herausforderungen bei der Herstellung flexibler und dehnbarer optischer Geräte. Der Hauptgrund ist, dass transparente und flexible optische Materialien, die zum Dehnen verwendet werden können, wirklich begrenzt sind. Ein weiterer Grund ist, dass neuartige Fertigungstechnologien entwickelt werden müssen, mit denen ein Rapid Prototyping und die Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen auf Basis flexibler optischer Materialien realisiert werden können. Der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter ist ein originelles Design, der Wellenleiterverlust wird mit PDMS als Kernschicht des Wellenleiters erhöht. Vor kurzem wurden einige flexible optische Materialien vorgeschlagen [21, 27, 28, 29, 30]. Wan et al. stellten ein flexibles photonisches Papier mit Zellulose-Nanokristallen und wasserbasiertem Polyurethan-Latex her [31]. Die optische Wellenleiterstruktur kann in Zukunft mit diesen verwandten flexiblen optischen Materialien verbessert werden.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend sind flexible und dehnbare Wellenleiter für Anwendungen im Bereich der taktilen Sensorik, des Gesundheitswesens und der flexiblen Elektronik geeignet. Der flexible und dehnbare optische Wellenleiter wird auf den flexiblen optischen Materialien mit einer Siliziumgitterschablone hergestellt, und die Nanogitterstruktur kann durch Nanoreplik-Formgebung auf das flexible optische Material übertragen werden. Der hergestellte flexible und dehnbare Lichtwellenleiter hat die Vorteile eines schnellen Prototypenbaus, geringer Kosten und einfacher Herstellung. Die Herstellungstechnologie von flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern wurde untersucht und die optimale Herstellungstechnologie wurde durch die Kombination von Opferschicht-Vorbereitungsprozess, Silizium-Gitter-Template-Vorbereitung, hydrophober Behandlung und flexibler Material-Vorbereitungstechnologie entwickelt. Der flexible und dehnbare Lichtwellenleiter hatte einen Dehnungserkennungsbereich von 0 bis 12,5% und der Erkennungsbereich für externe Kräfte beträgt 0 bis 23 × 10 ^–3 N. Auf flexible und dehnbare optische Wellenleiter basierende Sensorvorrichtungen haben die Eigenschaften Flexibilität, Dehnbarkeit und einfache Anpassung an gekrümmte Oberflächen im Vergleich zu herkömmlichen starren optischen Wellenleitern. Das in diesem Gerät verwendete flexible optische Material ist PDMS, mit dem die Zugeigenschaften von flexiblen und dehnbaren Lichtwellenleitern um bis zu 50 % verbessert werden können. Die Vorrichtung kann die Dehnbarkeit und Flexibilität des flexiblen dehnbaren optischen Wellenleiters voll ausschöpfen und die Änderung der optischen Ausgangsleistungsintensität des optischen Wellenleiters, die durch Änderungen externer physikalischer Größen (Druck, Dehnung usw.) verursacht wird, genau messen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

IPA:

Isopropylalkohol

DI-Wasser:

Entionisiertes Wasser

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

PDMS:

Polydimethylsiloxan