Guia de Ondas Flexível com Nanogratas para Sensoriamento Tátil Avançado

Resumo

Com base nas características de guias de onda ópticos e materiais ópticos flexíveis, propõe-se uma estrutura de guia de onda óptico flexível e elástica voltada para a percepção tátil. O princípio de sensoriamento baseia-se na deformação mecânica causada pela perda de luz de saída, superando as limitações dos guias de onda ópticos tradicionais, que não conseguem se adaptar a superfícies irregulares. O guia de onda flexível e elástico é fabricado pelo método de nanorréplica e aplicado na medição de pressão e deformação no campo do sensoriamento tátil. O dispositivo apresenta faixa de detecção de deformação de 0 a 12,5% e faixa de detecção de força externa de 0 a 23 × 10^–3 N.

Introdução

Guia de onda óptico é uma estrutura que guia a transmissão de ondas de luz. Guias de onda rígidos convencionais não atendem aos requisitos de eletrônica flexível e robótica suave. Dispositivos flexíveis e elásticos serão parte essencial de sistemas de sensoriamento tátil robótico, permitindo a percepção de interação homem-máquina com alto grau de flexibilidade, elasticidade, adaptabilidade, sensibilidade, biocompatibilidade e imunidade a interferência eletromagnética. Diversos trabalhos demonstraram sensores de pressão flexíveis baseados em filmes biocompósitos, sistemas de detecção infravermelha biomiméticos e guias de onda flexíveis baseados em vidro calcogenídeo dobrável ou estruturas serpentinas. Novos materiais ópticos suaves — elastômeros, cristais coloidais, hidrogéis e opalas sintéticas — têm sido desenvolvidos, assim como tecnologias de fabricação avançadas, como impressão a jato de tinta. No entanto, ainda há poucos avanços em guias de onda ópticos simultaneamente flexíveis e elásticos, especialmente para sensoriamento tátil robótico.

Neste trabalho, projeta-se e fabrica-se um novo guia de onda óptico flexível e elástico mediante processo de nanorréplica. O dispositivo atua como sensor tátil para medição de pressão e deformação em aplicações vestíveis e de saúde. A fabricação ocorre em wafer mestre de silício, com PDMS como substrato. Um wafer mestre com nanogratas cria estruturas de gratings no guia de onda como acopladores de entrada/saída. Todos os parâmetros foram analisados e calculados durante a fabricação. O guia de onda resultante foi aplicado à medição de pressão e deformação no sensoriamento tátil.

Métodos

Princípio do Guia de Onda Flexível e Elástico

Para um sensor de guia de onda óptico flexível e elástico, o índice de refração da camada guiada (n_waveguide) deve ser maior que o do ambiente externo (n_external). O PDMS, com índice 1,41, satisfaz essa condição em relação ao ar (1,0). O sensoriamento tátil requer que o dispositivo detecte diferentes parâmetros físicos (pressão, deformação) do ambiente. Quando o guia de onda é afetado pelo ambiente externo, a intensidade da luz de saída relaciona-se intrinsecamente com a perturbação mecânica causada por tensão ou deformação. A partir da variação da intensidade de luz de saída, estabelece-se a deformação do guia de onda causada pela força externa, permitindo medição quantitativa das variações físicas externas.

O diagrama esquemático do dispositivo sensor mostra: 1) filme do guia de onda flexível e elástico; 2) profundidade periódica da nanograta; 3) comprimento do guia de onda; 4) período da nanograta; 5) largura da nanograta; 6) acoplamento de entrada por grating; 7) acoplamento de saída por grating. O acoplamento por grating é composto pelas áreas 6 e 7 para entrada e saída de intensidade luminosa. O sensoriamento é realizado pelo guia de onda flexível e elástico submetido a grandezas físicas externas (pressão, deformação) para obter a relação correspondente entre a intensidade de luz de saída e as mudanças nas grandezas físicas externas.

Quando um feixe de luz é acoplado no guia de onda pelo acoplador de grating a um certo ângulo, transmite uma distância L e é acoplado para fora pelo acoplador de saída. Assume-se intensidade de luz de saída I₀. Quando a estrutura é deformada por pressão externa F ou deformação S, a variação correspondente da intensidade de luz de saída é ΔI₀, estabelecendo as relações: ΔI₀ = f(F) e ΔI₀ = f(S).

Resultado e Análise da Simulação

O material do guia de onda é um material macio com flexibilidade e elasticidade. Durante o sensoriamento tátil, o dispositivo pode ser danificado ou não funcionar corretamente devido às tensões internas durante a deformação. Portanto, simulações estáticas em estruturas de cristal fotônico preparadas com diferentes materiais são necessárias para analisar a distribuição de tensão e deformação interna quando submetidas a força externa de tração. Utilizou-se o software ABAQUS para simulação de elementos finitos. Parâmetros do modelo: período da grating 850 nm, ciclo de trabalho 0,5, espessura do material 2 mm, altura da grating 200 µm, módulo de Young 1 MPa, coeficiente de Poisson 0,48, densidade do PDMS 0,98 g/cm³. A carga é definida como deslocamento de tração aplicado em ambos os lados do guia de onda, com as outras direções fixas, ou seja, o dispositivo é esticado 10% na direção horizontal.

O diagrama de distribuição modal tensão-deformação do guia de onda de PDMS mostra que as mudanças morfológicas de deformação concentram-se principalmente na parte inferior da estrutura da camada de grating, distribuídas simetricamente e de forma mais uniforme em ambos os lados. A concentração de tensão ocorre principalmente na junção entre a grating e as estruturas de bloco, com tensão máxima inferior a 0,13 MPa. A análise de simulação mecânica demonstra que o guia de onda com estrutura de grating baseado em PDMS possui excelentes propriedades de tração, suportando a estabilidade da função de sensoriamento de deformação.

O princípio de sensoriamento do sensor tátil de guia de onda óptico flexível baseia-se na perda de transmissão de luz devido a tensão e deformação externas quando a luz é acoplada e transmitida no guia de onda. O objetivo do sensoriamento de tensão e deformação é alcançado calculando essa perda. Para o dispositivo de guia de onda baseado em estrutura de nanograta, simulação de campo eletromagnético é necessária para verificar o estado de transmissão de luz. Utilizou-se software de simulação eletromagnética FDTD. Como o guia de onda projetado é uma estrutura simétrica, o acoplador de grating em qualquer extremidade é selecionado como objeto de estudo. Ciclo de trabalho da grating 0,5, período e altura da grating conforme projeto. Quando um feixe gaussiano de luz vermelha é acoplado no guia de onda com ângulo de incidência de 13,54°, a maior parte do feixe de luz branca pode ser acoplada no guia de onda e propagar-se na direção horizontal. O experimento verificou que, quando o feixe entra no guia de onda a um certo ângulo de incidência, ele pode se propagar parcialmente no guia de onda e ser acoplado para fora.

Fabricação

Os modos de entrada e saída do guia de onda flexível e elástico são por acoplamento de grating, fabricados por nanorréplica com molde mestre de grating de silício. Materiais ópticos flexíveis utilizáveis incluem PDMS, SU8, PMMA e vidro calcogenídeo dobrável. O processo de fabricação compreende: (1) Molde mestre de wafer: template de nanograta com período 850 nm, fator de preenchimento 0,5 (LightSmyth Technologies, Inc.). (2) Modificação de superfície: wafer de silício imerso em silano hidrofóbico por 15 min, limpo com IPA e seco com nitrogênio, alterando propriedades de superfície de hidrofílico para hidrofóbico. (3) Camada sacrificial: solução de Poliálcool Polivinílico (PVA, 10%) depositada por spin-coating em wafer Si de 4'', seca a 75 °C por 30 min. (4) Template de grating do guia de onda: dois templates de grating Si de 855 nm colocados sobre a camada sacrificial PVA, com mesma orientação e gratings voltados para cima. (5) Revestimento com PDMS não curado: mistura PDMS e agente de cura na proporção 10:1, agitação homogênea, desgasificação em vácuo por 10 min, spin-coating sobre o template. (6) Remoção do guia de onda de PDMS: imersão em água por 10 h para dissolver PVA, retirada e separação do guia de onda dos templates de grating de silício. O tamanho da estrutura é ajustável: reduzindo o tamanho do template Si ou a distância da camada de transmissão de grating, o guia de onda pode ser adaptado às necessidades de encapsulamento.

A estrutura de nanograta é feita por cópia e moldagem em larga escala. O template de grating de silício selecionado tem período 850 nm, ciclo de trabalho 0,5 e altura 200 nm. A qualidade da morfologia da nanograta determina a eficiência de acoplamento de entrada e saída de luz. A imagem AFM das nanogratas baseadas em nanorréplica mostra que a estrutura pode ser transferida do template de silício para o substrato PDMS com boa consistência, confirmando que o método atende aos requisitos de fabricação.

Resultados e Discussão

Plataforma de Sensoriamento

Para medir tensão e deformação com guia de onda flexível e elástico, construiu-se uma plataforma de sensoriamento tátil flexível. A plataforma experimental inclui: (1) Fonte de luz incidente: laser de 632,8 nm. (2) Dispositivo de ajuste de posição e postura da fonte de luz: fixa a posição e ajusta o ângulo de incidência em tempo real. (3) Dispositivo de medição de tração: paquímetro Vernier e peças fixas não padronizadas para medir com precisão o comprimento inicial e a variação correspondente do alongamento. (4) Fotodetector: PM100D (Thorlabs, Inc.) com faixa de detecção de 500 nW a 500 mW, usado para detectar variação de intensidade de luz de saída no guia de onda de PDMS, calculando pressão e deformação correspondentes. A plataforma é de baixo custo, compatível e permite detecção de pressão e deformação para sensoriamento tátil. Precisão de deformação atinge 0,1% (precisão do paquímetro 0,02 mm), resolução da sonda fotodiodo 10 pW.

O guia de onda fabricado por nanorréplica mostra área quadrada colorida (entrada/saída) e área transparente central (transmissão de luz). O efeito colorido é gerado pela difração de luz na superfície da grating.

Experimentos de Sensoriamento Tátil

No sensoriamento tátil, pressão e deformação são grandezas físicas frequentemente envolvidas em sensores táteis robóticos na interação com o ambiente externo. Percepção em tempo real e precisa permite que robôs capturem com precisão o grau de deformação mecânica na interação com objetos externos, facilitando operações de feedback ótimo.

Método de teste: (1) Feixe de luz estável incide na camada de transmissão do guia de onda através do grating de acoplamento a ângulo fixo. Na outra extremidade, fotodetector coleta a luz de saída do acoplador de grating de saída. (2) Quando força externa é aplicada, a estrutura do guia de onda muda, atenuando a intensidade de luz de saída. Analisando a atenuação, a força externa é medida com precisão. (3) Quando deformação externa é aplicada, esta também é medida pela variação da intensidade de luz de saída.

O teste de pressão mostrou que a intensidade de luz de saída diminui com o aumento da pressão aplicada, com correlação linear entre variação de pressão e intensidade de luz de saída acoplada. Faixa de sensoriamento de pressão: 0 a 25 × 10^–3 N.

O experimento de sensoriamento de deformação utiliza mecanismo de estiramento com escala. Primeiro, o guia de onda é pré-estirado para evitar curvatura por gravidade, mantendo estado horizontal, e comprimento inicial L₀ registrado. Em seguida, o guia de onda é esticado pelo mecanismo de fixação em ambas as extremidades do paquímetro, registrando comprimento após estiramento L, calculando deformação S = (L - L₀)/L₀. Resultados mostram que, com aumento da deformação aplicada, a intensidade óptica de saída diminui gradualmente, com correlação linear. Faixa de sensoriamento de deformação: 0 a 12,5%, precisão 0,1%.

O sistema de sensoriamento divide-se em guia de onda flexível e elástico e detector de luz (PM100D). Como o atraso da luz transmitida no sensor óptico baseado em PDMS é muito baixo e pode ser ignorado, a velocidade de resposta e recuperação depende principalmente do detector. A taxa de resposta do medidor de potência é 25 Hz, resultando em tempo de resposta de 40 ms. A estabilidade cíclica foi investigada por carregamento e descarregamento repetidos de deformação e pressão. Resultado: mais de 3000 ciclos com estabilidade. Se PDMS for misturado com PAAm (Poliacrilamida), o material sobrevive a mais de 30.000 ciclos de carga.

Desafios atuais na fabricação de dispositivos ópticos flexíveis e elásticos: materiais ópticos transparentes e flexíveis adequados para estiramento são limitados; tecnologias de fabricação para prototipagem rápida e fabricação de micro/nanoestruturas em materiais ópticos flexíveis precisam ser desenvolvidas. O guia de onda proposto é um projeto original; a perda do guia de onda aumenta com PDMS como camada central. Recentemente, novos materiais ópticos flexíveis foram propostos, podendo melhorar a estrutura do guia de onda no futuro.

Conclusão

Em resumo, guias de onda flexíveis e elásticos são adequados para aplicações em sensoriamento tátil, saúde e eletrônica flexível. O guia de onda é fabricado em materiais ópticos flexíveis com template de grating de silício, transferindo a estrutura de nanograta por nanorréplica. O dispositivo apresenta vantagens de prototipagem rápida, baixo custo e fácil fabricação. A tecnologia de fabricação foi estudada e a tecnologia ótima desenvolvida combinando preparação de camada sacrificial, template de grating de silício, tratamento hidrofóbico e tecnologia de preparação de material flexível. O guia de onda apresentou faixa de detecção de deformação de 0 a 12,5% e faixa de detecção de força externa de 0 a 23 × 10^–3 N. Dispositivos baseados em guias de onda flexíveis e elásticos possuem flexibilidade, elasticidade e fácil conformação a superfícies curvas, comparados a guias de onda rígidos convencionais. O material PDMS melhora as propriedades de tração do guia de onda em mais de 50%. O dispositivo aproveita plenamente a elasticidade e flexibilidade do guia de onda, medindo com precisão a mudança na intensidade de potência óptica de saída causada por mudanças em grandezas físicas externas (pressão, deformação, etc.).

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

IPA:

Álcool Isopropílico

Água DI:

Água desionizada

FDTD:

Diferença Finitas no Domínio do Tempo

PDMS:

Polidimetilsiloxano