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 procesamiento de señales a bordo y comunicaciones inalámbricas, como se ve en la Figura 1. Estos revestimientos flexibles se pueden envolver, incrustar en , y anclados a objetos de forma irregular o en movimiento y permiten la detección casi distribuida de cantidades mecánicas como deformación, presión, tensión y tensión. [2] Este enfoque ofrece ventajas sobre los sistemas de detección convencionales, como una mayor portabilidad y rango de medición.
La tecnología de detección se basa en elementos sensores llamados rejillas de fibra de Bragg (FBG) que se fabrican con fibras de sílice de un solo núcleo estándar, fibras microestructuradas (MSF) altamente birrefringentes y fibras ópticas de plástico (POF). Los MSF de sílice están diseñados 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. También se están estudiando los FBG implementados en fibras ópticas de plástico porque las fibras de plástico se pueden estirar hasta un 300% antes de romperse, lo que permite su uso en condiciones que resultarían en fallas catastróficas de otros tipos de sensores de deformación.
Una vez optimizados, los sensores se integran en una piel flexible y se interconectan con dispositivos optoelectrónicos y electrónicos periféricos (consulte la Figura 2).
Las pieles fotónicas desarrolladas por PHOSFOS tienen aplicaciones potenciales en el monitoreo remoto 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 (aspas de molinos de viento). También se están investigando aplicaciones en el ámbito sanitario.
Resultados clave
Figura 3: Dispersión de la luz del láser HeNe procedente de 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 totalmente flexible. [3]
La Figura 3 muestra la dispersión de la luz del láser HeNe a partir de 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 polimérica a fibra de sílice estándar, un desarrollo importante que permitió utilizar rejillas POF Bragg en aplicaciones fuera de un laboratorio de óptica. Uno de los primeros usos de estos sensores fue el monitoreo de la tensión en tapices [4] que 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 fortalecieron los tapices en las áreas donde estaban fijos. Debido a que los dispositivos de fibra polimérica 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 sílice/fibra 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 fibra de Bragg en fibras ópticas microestructuradas. [11]
Las áreas clave en las que se han logrado avances significativos se enumeran a continuación: [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 a la más moderna en 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 microestructurada 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 rejillas ultravioleta convencionales para la fabricación de rejillas de fibra de Bragg . La insensibilidad a la temperatura se logró adaptando el diseño de la región dopada en el núcleo de la fibra microestructurada mediante 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 grosor de sólo 20 μm para que se vuelvan flexibles sin comprometer la funcionalidad. Luego, las fuentes ópticas delgadas y los detectores se incrustan en polímeros ópticos transparentes y se ponen en contacto eléctricamente utilizando tecnologías de microvía, metalización y patrones bien establecidas. [14]
Sensores integrados y optoelectrónica: se consideraron varios enfoques diferentes para incrustar sensores de fibra óptica en un material huésped flexible y estirable, incluido el moldeo por inyección, la estructuración por láser y la litografía blanda. Se estudió la influencia del proceso de inclusión en rejillas de Bragg de sílice y fibra polimérica . Se caracterizaron completamente las sensibilidades a la temperatura, la humedad, la deformación, la curvatura y la presión de diferentes materiales 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 utilizar componentes de bajo costo en combinación con tecnologías de fabricación bien establecidas, para demostrar una lámina sensora totalmente integrada y de bajo costo para aplicaciones biomédicas. [15]
Rejillas de Bragg de fibra de polímero : antes del comienzo de PHOSFOS, las rejillas de 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 longitudes de fibra muy cortas (<10 cm). para ser utilizado y los dispositivos tenían que ser acoplados a tope a un cable flexible de fibra de sílice en el banco óptico.
El consorcio PHOSFOS ha desarrollado un medio 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 en 1550 nm. Estos desarrollos han permitido que los sensores de rejilla POF se utilicen por primera vez fuera del laboratorio. [dieciséis]
Rejillas de Bragg de fibra de polímero multiplexada por longitud de onda: una vez que se resolvió el problema de la 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 de polímero (POF). Además, al caracterizar y utilizar las propiedades de recocido térmico de la fibra, fue posible cambiar la longitud de onda reflectante de una rejilla en más de 20 nm, para permitir el registro de múltiples sensores WDM con una máscara monofásica. [17]
Rejillas de Bragg de fibra de femtosegundo: el uso de láseres de femtosegundo para inscribir rejillas de Bragg de fibra en fibras ópticas, al mismo tiempo que se induce selectivamente la 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 flexibilidad inherente y resistencia mecánica ajustable. También son visualmente transparentes y compatibles con 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 cura rápidamente en fibras de sílice bajo irradiación UV. [19]
Sistema de detección de fibras microestructuradas de sílice para detección de presión y temperatura: el sensor de presión basado en MSF de sílice tiene un gran valor potencial en el campo del monitoreo de presión de fondo de pozo dentro de la industria del petróleo y el gas. En esta aplicación existe la necesidad de monitorear altas presiones (entre 0 y 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 de polímero multimodo: los sensores de rejilla de Bragg de fibra se usan comúnmente para detectar tensión y temperatura, pero la detección de presión puede ser más desafiante, 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 diversas aplicaciones médicas. El hecho de que se utilice fibra de polímero 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 desde el medio circundante a los sensores. [21] [22]
http://www.ist-world.org/ProjectDetails.aspx?ProjectId=5959e74fdec54b57859fe30988c9add5&SourceDatabaseId=9900e74f1158484985c6bf0d2aa3cc2a [ enlace muerto permanente ]
Reuniones abiertas
La 2ª Reunión "Beneficios para la Industria" del Proyecto PHOSFOS del 7PM de la UE tendrá lugar el domingo 22 de mayo de 2011 en Munich (Alemania).
La reunión coincide con el taller Industry Meets Academia organizado por SPIE SPIE como parte de la Conferencia de Metrología Óptica. Le seguirá el Congreso Mundial de Fotónica y la Feria Láser Mundial de Fotónica en Munich, 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, los nuevos miembros son bienvenidos.
Referencias
^ "Resumen del proyecto / Acerca de nosotros / 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 .
^ "Piel artificial basada en sensores ópticos táctiles 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). "Avances en el seguimiento de deformaciones de tapices". Comité del ICOM para la Conservación (PDF) (Reporte). vol. II. págs. 843–848. Archivado desde el original (PDF) el 7 de agosto de 2011.
^ "Sensores de rejilla de fibra polimérica".
^ 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 de polímero para detección de tensión, flexión y temperatura, X. Chen, C. Zhang, DJ Webb, G.-D. Peng, K. Kalli, Ciencia y tecnología de medición, 2010
^ Sensor de curvatura altamente sensible basado en rejilla de Bragg en fibra de polímero de 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 / Fosfos / Inicio - PHOSFOS - Pieles fotónicas para detección óptica". Archivado desde el original el 20 de julio de 2011 . Consultado el 3 de febrero de 2010 .
^ "Datos y resultados / Fosfos / Inicio - PHOSFOS - Pieles fotónicas para detección óptica". Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2011 . Consultado el 14 de agosto de 2011 .
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^ "Hoja informativa 07 - Polímeros para materiales flexibles similares a la piel / Datos y resultados / Fosfos / 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 / Fosfos / Inicio - PHOSFOS - Cubiertas fotónicas 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 / Fosfos / 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 10 - Interrogador de rejilla de Bragg de fibra polimérica / Datos y resultados / Fosfos / Inicio - PHOSFOS - Pieles fotónicas para detección óptica". Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2011 . Consultado el 14 de agosto de 2011 .
