基于光栅原理的大面积柔性光学薄膜设计

发布时间：2020-04-08 09:40

【摘要】：应用于机器人、智能假肢等领域的触觉传感器是实现仿人体皮肤感知外界刺激的媒介。柔性触觉传感器可以模仿人体皮肤感知触觉、滑觉、热觉等感知性能,是实现机器人高精度抓取,感受外界刺激的关键所在。本课题依据微光学理论中的光栅衍射理论,设计分析了一种应用于触觉传感器的柔性微阵列结构,并结合矢量衍射理论和等效介质理论研究了该柔性微阵列结构在按压拉伸应变下的“力-光”响应机制。主要研究内容包括:(1)在理论上分别分析推导了矩形微阵列结构、锯齿形微阵列结构、阶梯微阵列结构、锥形微阵列结构、亚波长微阵列结构以及二维方向微柱阵列结构的衍射光效率的计算方法。(2)基于微光学理论设计了一维方向柔性矩形微阵列,并研究了该器件的结构因素对反向衍射效率的影响,同时分析了TE光和TM光的波长、入射角对该矩形微阵列反向衍射效率的影响。研究发现在周期确定的柔性矩形微阵列中矩形高度在0.25μm~0.8μm范围内一级衍射效率最大时所对应的矩形阵列高度为0.53μm占空比为0.5。在入射光源为可见光波长0.4μm~0.8μm范围内,波长在0.64μm~0.8μm之间占空比为0.5的微阵列衍射效率最高。反向一级衍射角随着波长的增加呈线性增大,入射光波长影响反向光场各级衍射光位置分布。反向一级衍射角度均随入射角的增加而线性增大,入射角度在0°~50°之间反向一级及零级衍射光衍射效率基本不变,入射角在50°~90°之间反向一级衍射光衍射效率出现波动。同时发现在微阵列表面制作银反射层后可显著增加反向衍射效率。(3)本课题通过研究锯齿形微阵列结构一级反向衍射效率与衍射角的关系,发现闪耀角为35.942°反向衍射效率的应变率最大。然后借鉴了BOE技术中的用二进制多台阶微结构逼近DOE器件的工艺方法,从结构设计角度设计分析了一维方向柔性梯形微阵列结构和锥形微阵列结构的反向衍射光效率与应变的关系,研究发现随着器件的按压应变,反向衍射光衍射效率应变做周期性变化,而一级衍射光场位置分布并未改变,在4μm周期下一级衍射光始终为-9.497°。(4)基于亚波长理论研究了特征尺寸在亚波长范围的柔性矩形微阵列结构。计算发现在无拉伸应变的情况下,该亚波长柔性矩形微阵列在入射光下薄膜无衍射光产生,拉伸应变在1.5倍以上时衍射效应逐渐产生,且一级衍射角度也随着拉伸应变的增加衍射角度从90°突变为-83.7°,拉伸应变进一步增加到7.58倍时一级衍射角度减小到-16.95°。根据此现象制作的微阵列薄膜具有大应变和衍射突变性能。(5)设计分析了二维方向上微柱阵列结构的衍射光场变化与应变的关系。计算发现二维方向大面积微阵列结构薄膜与一维方向矩形微阵列类似,并同时可对按压和拉伸产生响应。计算发现薄膜微柱阵列周期为4μm占空比为0.5时,在波长为0.66μm偏振方向为45°的正入射光下,该大面积二维方向微柱阵列反向衍射光衍射效率随薄膜按压应变做周期性变化,光场位置分布并未改变,反向(+1,+1)级、(+1,0)、(0,+1)级、(0,0)级的衍射角度始终为13.5°、9.5°、9.5°和0°。沿x轴单向拉伸时(+1,+1)级和(+1,0)级随着应变的增加反向衍射效率出现波动同时衍射角均逐渐减小,同样双向等应变拉伸时(+1,+1)级、(+1,0)级和(0,+1)级衍射角也随着应变的增加而逐渐减小。
【图文】：

照片,微结构,触觉传感,金字塔

1-1 微结构触觉传感阵列: (a)PDMS 微结构制作示意图; (b)PDMS 金字塔微结构的 SEM 照片;壁碳纳米管(SWNT)涂敷在 PDMS 金字塔微结构的示意图，插图为压力传感器对不同压力范围阻响应情况；(d)PDMS 金字塔微结构制作的电阻式压力传感器示意图；(e)由微细毛和 PDMS塔微结构组合制作的电容式压力传感器的示意图，可用于人体脉搏检测；(f)PDMS 微结构制作压力晶体管的示意图Hyunhyub Ko 等人[12]提出了一种互锁微丘结构压力传感器，得到了非常高的电阻力灵敏度(~15.1 kPa-1)、0.2 Pa 的最小探测极限和非常快的响应时间(~40 ms)。另哲楠课题组还开发了一种电阻随压力可调控的压力传感器(如图 1d 所示)，即在加力时金字塔微结构的相应高度发生变化而使传感器的电阻响应和电阻开关阈值能行调控[13](如图 1c 所示)，，这在压力控制的人机界面等领域将有重要应用。同时，题组采用这种技术发明了压力调控的电致变色系统[14]。此外，PDMS 微结构不仅可备在刻蚀处理的硅片上，也可以制备在一些常见的物品上，从而有利于降低制备成如，丝绸布面就具有规律的微结构[15]，用此微结构 PDMS 薄膜制成的压力传感器较高的灵敏度(1.80 kPa-1)、非常快的响应时间(<10 ms)和较低的探测极限(0.6 Pa

照片,皮肤,单元选择,多色

图 1-2 (a)单色发光电子皮肤在弯曲条件下的发光照片；(b)和(c)分别是多色皮肤在正常伸展和弯曲条件下的发光照片；(d)单色发光皮肤的单元选择性发光实物图片图 1-3 基于压电效应的超高分辨率可视化应力-应变传感系统Shepherd 组设计的人造皮肤其主要功能层为类 PDMS 硅树脂(eco-flex silicone)电致发光层[31]，发光层含有硫化锌(ZnS)电致发光粉体，通过发光体组成不同通电后会产生
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484.41

【参考文献】