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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。