Figura 1: Concepto de piel flexibleFigura 2: Fotografía de una piel flexible real con sensores integrados realizada en la Universidad de Gante
El proyecto PHOSFOS [1] está desarrollando láminas o revestimientos flexibles y estirables que integran elementos de detección óptica con dispositivos ópticos y eléctricos, como el procesamiento de señales a bordo y las comunicaciones inalámbricas, como se ve en la Figura 1. Estas pieles flexibles se pueden envolver, incrustar y anclar a objetos de forma irregular o en movimiento y permiten la detección cuasidistribuida de cantidades mecánicas como deformación, presión, estrés y tensión. [2] Este enfoque ofrece ventajas sobre los sistemas de detección convencionales, como mayor portabilidad y rango de medición.
La tecnología de detección se basa en elementos de detección denominados rejillas de Bragg de fibra (FBG, por sus siglas en inglés) que se fabrican con fibras de sílice de núcleo único estándar, fibras microestructuradas (MSF, por sus siglas en inglés) altamente birrefringentes y fibras ópticas de plástico (POF, por sus siglas en inglés). Las MSF de sílice están diseñadas para exhibir una sensibilidad a la temperatura casi nula para hacer frente a los problemas tradicionales de sensibilidad cruzada a la temperatura de los sensores de fibra convencionales. Estas fibras especiales se están modelando, diseñando y fabricando dentro del programa. Las FBG implementadas en fibra óptica de plástico también se están estudiando porque las fibras de plástico se pueden estirar hasta un 300% antes de romperse, lo que permite su uso en condiciones que provocarían una falla catastrófica de otros tipos de sensores de deformación.
Una vez optimizados, los sensores se integran en una piel flexible y se conectan con la optoelectrónica y la electrónica periférica (véase la Figura 2).
Las pieles fotónicas desarrolladas por PHOSFOS tienen potencial de aplicación en la monitorización remota en tiempo real del comportamiento y la integridad de diversas estructuras, como en ingeniería civil (edificios, presas, puentes, carreteras, túneles y minas), en el sector aeroespacial (alas de aviones, palas de helicópteros) y en la producción de energía (palas de molinos de viento). También se están investigando aplicaciones en el ámbito sanitario.
Resultados clave
Figura 3: Dispersión de la luz láser HeNe de las rejillas de ruido registradas en PMMA utilizando un láser HeCd de 325 nm
Se puede encontrar un resumen de los desarrollos clave en la página web de PhoSFOS EU e incluye la demostración de una lámina optoelectrónica completamente flexible. [3]
La figura 3 muestra la dispersión de la luz láser HeNe de las rejillas de ruido registradas en PMMA utilizando un láser HeCd de 325 nm.
Uno de los primeros resultados del proyecto fue el desarrollo de un método repetible para unir fibra de polímero a fibra de sílice estándar, un avance importante que permitió utilizar rejillas de Bragg de POF en aplicaciones fuera de un laboratorio óptico. Uno de los primeros usos de estos sensores fue el monitoreo de la tensión en tapices [4], como se muestra en la Figura 4. [5] En este caso, se demostró que los sensores de tensión eléctricos convencionales y los sensores de fibra de sílice reforzaban los tapices en las áreas donde estaban fijados. Debido a que los dispositivos de fibra de polímero son mucho más flexibles, no distorsionaron tanto los textiles, lo que permitió una medición más precisa de la tensión.
Se ha demostrado la detección de temperatura y humedad utilizando un sensor combinado de fibra de sílice/POF. [6] También se ha demostrado la detección combinada de tensión, temperatura y flexión. [7] Se ha demostrado que el uso de una rejilla de Bragg de fibra en un polímero de núcleo excéntrico produce una alta sensibilidad a la flexión. [8]
Otros avances recientes incluyen la demostración de fibras de cristal fotónico birrefringentes con sensibilidad polarimétrica cero a la temperatura, [9] [10] y una demostración exitosa de detección de carga transversal con rejillas de Bragg de fibra en fibras ópticas microestructuradas. [11]
A continuación se enumeran las áreas clave en las que se han logrado avances significativos: [12]
Fibras microestructuradas de sílice para sensores ópticos insensibles a la temperatura: se ha desarrollado un nuevo sensor de fibra óptica sensible a la presión y a la temperatura. El sensor utiliza una rejilla de Bragg de fibra escrita en una fibra microestructurada. La sensibilidad a la presión supera la tecnología de punta con un factor de 20, mientras que el sensor es verdaderamente insensible a la temperatura. El sensor se basa en un diseño novedoso de un sensor de fibra óptica microestructurado altamente birrefringente (10 −3 ) que está diseñado para tener una alta sensibilidad a la presión (3,3 pm/bar), mientras que al mismo tiempo exhibe una sensibilidad a la temperatura insignificante (10 −2 pm/K). El método de fabricación es compatible con las configuraciones de inscripción de rejilla ultravioleta convencionales para la fabricación de rejillas de Bragg de fibra . La insensibilidad a la temperatura se logró adaptando el diseño de la región dopada en el núcleo de la fibra microestructurada a través de una serie de iteraciones de diseño. [13]
Dispositivos optoelectrónicos integrados: en el marco del proyecto PHOSFOS se ha desarrollado la posibilidad de integrar fuentes ópticas y fotodetectores compatibles con los sensores de fibra óptica. Los componentes optoelectrónicos se adelgazan mediante pulido hasta que tienen un espesor de tan solo 20 μm, de modo que se vuelven flexibles por sí mismos sin comprometer la funcionalidad. A continuación, las fuentes ópticas y los detectores finos se incrustan en polímeros ópticos transparentes y se ponen en contacto eléctrico mediante tecnologías de microvías, metalización y modelado bien establecidas. [14]
Sensores integrados y optoelectrónica: se consideraron varios enfoques diferentes para incrustar sensores de fibra óptica en un material anfitrión flexible y estirable, incluido el moldeo por inyección, la estructuración láser y la litografía blanda. Se estudió la influencia del proceso de incrustación para rejillas de Bragg de fibra de sílice y polímero . Se caracterizaron completamente las sensibilidades a la temperatura, la humedad, la tensión, la curvatura y la presión para diferentes materiales anfitriones flexibles. Se propuso un enfoque en el que los chips optoelectrónicos integrados se pueden acoplar de manera eficiente a los sensores de fibra óptica, utilizando estructuras de acoplamiento dedicadas, que incorporan un microespejo de 45˚, así como una ranura de alineación de fibra. Esto permitió que se utilizaran componentes de bajo costo en combinación con tecnologías de fabricación bien establecidas, para demostrar una lámina de detección completamente integrada de costo verdaderamente bajo para aplicaciones biomédicas. [15]
Rejillas de Bragg de fibra de polímero : antes del inicio de PHOSFOS, las rejillas en fibra óptica de polímero (POF) solo existían en la región espectral de 1550 nm, donde la gran pérdida de fibra (1 dB/cm) solo permitía utilizar longitudes de fibra muy cortas (<10 cm) y los dispositivos debían acoplarse a tope a un cable de fibra de sílice en el banco óptico.
El consorcio PHOSFOS ha desarrollado un método para unir de forma fiable POF a fibra de sílice y ha producido las primeras rejillas en la región espectral de 800 nm, donde las pérdidas son casi dos órdenes de magnitud menores que a 1550 nm. Estos avances han permitido utilizar sensores de rejilla de POF fuera del laboratorio por primera vez. [16]
Rejillas de Bragg de fibra polimérica multiplexadas por longitud de onda: una vez que se resolvió el problema de conexión de la fibra, fue posible fabricar los primeros sensores de rejilla de Bragg multiplexados por división de longitud de onda (WDM) en fibra óptica polimérica (POF). Además, al caracterizar y utilizar las propiedades de recocido térmico de la fibra, fue posible cambiar la longitud de onda de reflexión de una rejilla en más de 20 nm, para permitir que se registren múltiples sensores WDM con una sola máscara de fase. [17]
Rejillas de Bragg de fibra de femtosegundos: el uso de láseres de femtosegundos para inscribir rejillas de Bragg de fibra en fibras ópticas, al mismo tiempo que se induce selectivamente birrefringencia en la fibra óptica en la misma ubicación espacial que la rejilla, ha permitido el desarrollo de sensores vectoriales. [18]
Polímeros para materiales flexibles similares a la piel: se desarrolló una serie de materiales poliméricos que tienen una flexibilidad inherente y una resistencia mecánica ajustable. También son visualmente transparentes y son compatibles con las formulaciones disponibles comercialmente. Se dio un gran paso adelante en el desarrollo de nuevos monómeros y prepolímeros que complementan las formulaciones comerciales y se crearon varias formulaciones novedosas. Finalmente, también desarrollamos un nuevo material de recubrimiento de fibra óptica que se cura rápidamente sobre fibras de sílice bajo irradiación UV. [19]
Sistema de detección de presión y temperatura a base de fibras microestructuradas de sílice: el sensor de presión basado en fibras microestructuradas de sílice tiene un gran potencial en el campo del monitoreo de presión en el fondo del pozo en la industria del petróleo y el gas. En esta aplicación, existe la necesidad de monitorear altas presiones (rango de 0 a 1000 bar) en combinación con variaciones rápidas de temperatura. Por lo tanto, la sensibilidad cruzada a temperaturas ultrabajas es una característica importante de este sistema [20].
Sistema de detección para rejillas de Bragg de fibra polimérica multimodo: los sensores de rejilla de Bragg de fibra se utilizan comúnmente para detectar la tensión y la temperatura, pero la detección de presión puede ser más complicada, especialmente cuando el espacio es limitado. El consorcio del proyecto PHOSFOS desarrolló un nuevo sensor FBG multipunto de polímero que puede medir la presión en varias aplicaciones médicas. El hecho de que se utilice fibra polimérica en lugar de fibra de sílice es beneficioso en términos de seguridad para el paciente. El bajo módulo de Young de la fibra polimérica mejora la transferencia de tensión del medio circundante a los sensores. [21] [22]
http://www.ist-world.org/ProjectDetails.aspx?ProjectId=5959e74fdec54b57859fe30988c9add5&SourceDatabaseId=9900e74f1158484985c6bf0d2aa3cc2a [ enlace muerto permanente ]
Reuniones abiertas
El domingo 22 de mayo de 2011 se celebrará en Múnich (Alemania) la segunda reunión "Beneficios para la industria" del proyecto PHOSFOS del 7PM de la UE.
La reunión se celebrará simultáneamente con el taller Industry Meets Academia organizado por SPIE como parte de la Conferencia de Metrología Óptica. Le seguirán el Congreso Mundial de Fotónica y la Feria de Muestras de Láser World of Photonics en Múnich, durante la semana del 23 al 26 de mayo de 2011.
Esta reunión es la segunda de este tipo que reúne a todas las empresas que han expresado su posible interés en la tecnología desarrollada por el proyecto PHOSFOS del 7PM de la UE.
18 empresas/institutos se han registrado en el Club de Usuarios Industriales de PHOSFOS, nuevos miembros son bienvenidos.
Referencias
^ "Resumen del proyecto / Acerca de nosotros / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Piel artificial basada en sensores táctiles ópticos flexibles".
^ Lámina optoelectrónica totalmente flexible, E. Bosman, G. Van Steenberge, I. Milenkov, K. Panajotov, H. Thienpont, J. Bauwelinck, P. Van Daele, Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2010
^ Lennard F, Eastop D, Ye CC, Dulieu-Barton JM, Chambers AR, Khennouf D (2008). "Progreso en el seguimiento de la deformación de los tapices". Comité del ICOM para la Conservación (PDF) (Informe). Vol. II. págs. 843–848. Archivado desde el original (PDF) el 7 de agosto de 2011.
^ "Sensores de rejilla de fibra de polímero".
^ Sensor de temperatura y humedad de fibra óptica, C. Zhang, W. Zhang, DJ Webb, GD Peng, Electronics Letters, 46, 9, pp643-644, 2010, doi :10.1049/el.2010.0879
^ Rejilla de Bragg en fibra óptica polimérica para detección de deformación, curvatura y temperatura, X. Chen, C. Zhang, DJ Webb, G.-D. Peng, K. Kalli, Measurement Science and Technology, 2010
^ Sensor de curvatura de alta sensibilidad basado en rejilla de Bragg en fibra de polímero con núcleo excéntrico, X. Chen, C. Zhang, DJ Webb, K. Kalli, G.-D. Peng, A. Argyros, IEEE Sensors Journal, 2010
^ "Fibras de cristal fotónico birrefringentes con sensibilidad polarimétrica cero a la temperatura / Revistas / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Capas fotónicas para detección óptica". Archivado desde el original el 20 de julio de 2011. Consultado el 3 de febrero de 2010 .
^ "Hechos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Detección de carga transversal con rejillas de Bragg en fibras ópticas microestructuradas / Revistas / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 20 de julio de 2011. Consultado el 3 de febrero de 2010 .
^ "Hechos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 01: Sensor de fibra óptica microestructurada de sílice / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 02 - Chips optoelectrónicos integrados / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
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^ "Hoja informativa 04 - Rejillas de Bragg de fibra polimérica / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 05 - Multiplexación de longitud de onda / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 06 - Fabricación de rejillas de Bragg de fibra de femtosegundos / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 07 - Polímeros para materiales flexibles similares a la piel / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Pieles fotónicas para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 08 - Prototipo de preproducto de sensor de fibra óptica microestructurada de sílice / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 09 - Demostrador de sensor esofágico con rejilla de Bragg de fibra polimérica / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
^ "Hoja informativa 10 - Interrogador de rejilla de Bragg de fibra polimérica / Datos y resultados / Phosfos / Inicio - PHOSFOS - Recubrimientos fotónicos para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011. Consultado el 14 de agosto de 2011 .
