ФОСФОС - PHOSFOS

ФОСФОС это исследования и развитие технологий проект, софинансируемый Европейская комиссия.

Описание Проекта

Рисунок 1: Концепция гибкой кожи

Рисунок 2: Фотография настоящей гибкой кожи со встроенными датчиками, сделанная в Университете Гента.

Проект PHOSFOS (Photonic Skins for Optical Sensing)^[1] разрабатывает гибкие и растягивающиеся пленки или оболочки, которые объединяют оптические чувствительные элементы с оптическими и электрическими устройствами, а также бортовую обработку сигналов и беспроводную связь, как показано на рисунке 1. Эти гибкие оболочки могут быть обернуты, встроены, прикреплены и закреплены на неровной поверхности. сформированные и / или движущиеся объекты или тела и позволят квазираспределенному измерению механических величин, таких как деформация, давление, напряжение или деформация.^[2] Этот подход потенциально дает значительное преимущество перед обычными сенсорными системами из-за портативности полученных систем и расширенного диапазона измерений.

В основе сенсорной технологии лежат чувствительные элементы, называемые Волоконные решетки Брэгга (ВБР), изготовленные из стандартных односердцевинных кварцевых световодов, обладающих высокой степенью двойного лучепреломления Микроструктурированные волокна (MSF) и Пластиковые оптические волокна (POF). Кремнеземные MSF разработаны для демонстрации почти нулевой температурной чувствительности, чтобы справиться с традиционными проблемами температурной перекрестной чувствительности обычных волоконных датчиков. Эти специальные волокна моделируются, проектируются и производятся в рамках программы. Также будут использоваться ВБР, написанные на волокнах из POF, поскольку эти волокна могут быть растянуты до 300% перед разрывом. Это позволяет использовать их в условиях, которые обычно приводят к катастрофическому отказу других типов тензодатчиков.

После оптимизации датчики встраиваются в сенсорную кожу и соединяются с периферийной оптоэлектроникой и электроникой. Эти скины действительно гибкие, см. Рисунок 2.

Фотонные оболочки, разработанные в PHOSFOS, имеют потенциальное применение для непрерывного мониторинга целостности и поведения различных типов структур, например, в гражданское строительство (здания, плотины, мосты, дороги, туннели и шахты), в аэрокосмической отрасли (крылья самолетов, лопасти вертолетов) или в производстве энергии (лопасти ветряных мельниц) и, следовательно, обеспечивают необходимые средства для удаленного раннего отказа, аномалии или предупреждения об опасности. Также исследуются возможности применения в здравоохранении.

Существует фильм^[3] описание технологии на YouTube.

Ключевые результаты

Рисунок 3: Рассеяние света гелий-неонового лазера на шумовых решетках, записанных в ПММА с использованием HeCd-лазера с длиной волны 325 нм.

Краткое изложение основных событий можно найти на веб-странице PhoSFOS EU. [1] и включать демонстрацию полностью гибкой оптоэлектронной фольги.^[4]

На рисунке 3 показан рассеяние HeNe лазер свет от шумовых решеток, записанный в ПММА с использованием HeCd-лазера 325 нм.

Одним из первых результатов проекта стала успешная демонстрация повторяемого метода соединения полимерного волокна со стандартным кремнеземным волокном. Это было крупной разработкой, которая позволила впервые использовать брэгговские решетки на основе ПОФ в реальных приложениях за пределами оптической лаборатории. Одним из первых применений этих датчиков было наблюдение за деформацией гобеленов.^[5] показано на рисунке 4 ,.^[6] В этом случае было показано, что обычные электрические датчики деформации и датчики из кварцевого волокна укрепляют гобелены в тех местах, где они были закреплены. Поскольку полимерные устройства гораздо более гибкие, они не так сильно деформируют материал и, следовательно, обеспечивают наиболее точное измерение деформации гибких материалов. Было продемонстрировано измерение температуры и влажности с использованием комбинированного волоконно-оптического сенсора из диоксида кремния / POF.^[7] Также было показано комбинированное определение деформации, температуры и изгиба.^[8] Было показано, что использование волоконной брэгговской решетки в полимере с эксцентричным сердечником обеспечивает высокую чувствительность к изгибу.^[9]

Другой недавний прогресс включает демонстрацию двулучепреломляющих фотонно-кристаллических волокон с нулевой поляриметрической чувствительностью к температуре.^[10]^[11] и успешная демонстрация измерения поперечной нагрузки с помощью волоконных брэгговских решеток в микроструктурированных оптических волокнах.^[12]

Ключевые области, в которых был достигнут значительный прогресс, перечислены ниже:^[13]

Кремнезем микроструктурированные волокна для нечувствительных к температуре оптических датчиков - был разработан новый чувствительный к давлению и нечувствительный к температуре оптоволоконный датчик. Датчик использует волоконная решетка Брэгга написано в микроструктурированное волокно. Чувствительность к давлению превышает современные в 20 раз, в то время как датчик действительно нечувствителен к температуре. Датчик основан на новой конструкции двойного лучепреломления (10⁻³) микроструктурированный оптоволоконный датчик, который имеет высокую чувствительность к давлению (3,3 мкм / бар) и в то же время демонстрирует незначительную температурную чувствительность (10⁻² pm / K). Метод изготовления совместим с обычными установками записи ультрафиолетовой решетки для волоконная решетка Брэгга производство. Температурная нечувствительность была достигнута за счет адаптации конструкции легированной области в сердечнике микроструктурированное волокно через серию итераций дизайна.^[14]

Встраиваемые оптоэлектронные устройства - в рамках проекта PHOSFOS разработана возможность интеграции оптических источников и фотоприемников, совместимых с оптоволоконными датчиками. Оптоэлектронные компоненты утончаются путем полировки до толщины всего 20 мкм, так что они сами становятся гибкими без ущерба для функциональности. Затем тонкие оптические источники и детекторы встраиваются в оптические прозрачные полимеры и подвергаются электрическому контакту с использованием хорошо зарекомендовавших себя технологий микропроходов, металлизации и формирования рисунка.^[15]

Интегрированные датчики и оптоэлектроника - были рассмотрены несколько различных подходов к встраиванию волоконно-оптических датчиков в гибкий и растягиваемый основной материал, включая литье под давлением, лазерное структурирование и мягкую литографию. Влияние процесса заливки было изучено для кремнезема и полимера. волоконные решетки Брэгга. Чувствительность к температуре, влажности, деформации, кривизне и давлению была полностью охарактеризована для различных гибких материалов основы. Был предложен подход, при котором встроенные оптоэлектронные чипы могут быть эффективно связаны с оптоволоконными датчиками с использованием специальных структур связи, включающих микрозеркало 45˚, а также канавку для выравнивания волокна. Это позволило использовать недорогие компоненты в сочетании с хорошо зарекомендовавшими себя технологиями производства, чтобы продемонстрировать действительно недорогую полностью интегрированную сенсорную фольгу для биомедицинских приложений.^[16]

Полимер волоконные решетки Брэгга - до начала PHOSFOS решетки в полимерном оптическом волокне (POF) существовали только в спектральной области 1550 нм, где большие потери в волокне (1 дБ / см) позволяли использовать только очень короткие (<10 см) волокна и устройства должны были быть соединены встык с кабелем из кварцевого волокна на оптической скамье.

Консорциум PHOSFOS разработал средство для надежного сращивания POF с кремнеземным волокном и произвел первые решетки в спектральной области 800 нм, где потери почти на 2 порядка меньше, чем при 1550 нм. Эти разработки впервые позволили использовать датчики на основе POF-решеток вне лаборатории.^[17]

Брэгговские решетки из полимерного волокна с мультиплексированием по длине волны - как только проблема подключения волокна была решена, стало возможным изготавливать первые в истории датчики Брэгга с мультиплексированием по длине волны (WDM) на основе полимерного оптического волокна (POF). Кроме того, характеризуя и используя свойства термического отжига волокна, можно было сместить длину волны отражения решетки более чем на 20 нм, чтобы обеспечить возможность регистрации нескольких датчиков WDM с помощью одной фазовой маски.

^[18]

Фемтосекундные волоконные брэгговские решетки - использование фемтосекундных лазеров для вписывания волоконных брэгговских решеток в оптических волокнах, а также выборочное наведение двулучепреломление в оптическом волокне в том же пространственном положении, что и решетка, позволила разработать векторные датчики.

.^[19]

Полимеры для гибких кожеподобных материалов - был разработан ряд полимерных материалов, которые обладают гибкостью и регулируемой механической прочностью. Они также визуально прозрачны и совместимы с коммерчески доступными составами. Был сделан большой шаг вперед в разработке новых мономеров и форполимеров, дополняющих коммерческие составы, и создано несколько новых составов. Наконец, мы также разработали новый материал для покрытия оптических волокон, который быстро отверждается на кварцевых волокнах под действием УФ-излучения.^[20]

Система датчиков для микроструктурированных волокон из диоксида кремния для измерения давления и температуры - датчик давления на основе MSF из диоксида кремния имеет большой потенциал в области мониторинга скважинного давления в нефтегазовой отрасли. В этом приложении необходимо контролировать высокое давление (диапазон от 0 до 1000 бар) в сочетании с быстрыми колебаниями температуры. Поэтому перекрестная чувствительность при сверхнизких температурах является важной особенностью этой системы.^[21]

Система измерения для многомодовых полимерных волоконных решеток Брэгга - датчики на волоконных решетках Брэгга обычно используются для измерения деформации и температуры, но

измерение давления может быть более сложной задачей, особенно когда пространство ограничено. Консорциум проекта PHOSFOS разработал новый полимерный многоточечный датчик FBG, который может измерять давление в различных медицинских приложениях. Тот факт, что используется полимерное волокно, а не кремнеземное, благоприятен с точки зрения безопасности пациента. Низкий Модуль для младших полимерного волокна улучшает передачу деформации от окружающей среды к датчикам.^[22]^[23]

Консорциум

[2], Vrije Universiteit Brussel
[3], Межуниверситетский центр микроэлектроники VZW
[4], Universiteit Gent
[5], Политехника Вроцлавска
[6], Университет Марии Кюри-Склодовской
[7], Астонский университет
[8], Волоконно-оптические датчики и системы BVBA
[9], Кипрский технологический университет
[10], Astasense Limited

внешняя ссылка

Открытые встречи

2-е заседание «Выгоды для промышленности» проекта PHOSFOS ЕС состоится в воскресенье, 22 мая 2011 г. в Мюнхене (Германия).

Встреча проводится вместе с семинаром «Промышленность и академия», организованным SPIE. SPIE в рамках конференции по оптической метрологии. За ним последуют Всемирный конгресс фотоники и Лазерный мир фотоники Выставка в Мюнхене, на неделе с 23 по 26 мая 2011 года.

Это вторая встреча в своем роде, на которой собираются все компании, выразившие возможный интерес к технологии, разработанной в рамках проекта PHOSFOS в рамках 7-й рамочной программы ЕС.

18 компаний / институтов зарегистрировались на Клуб промышленных пользователей PHOSFOS, приветствуются новые участники.