Design and Fabrication of a Spin Coater with In-Situ Optical Measurement for Soft Thin Films

Resumen Técnico: Diseño y Fabricación de un Recubridor por Rotación con Medición Óptica In-Situ para Películas Blandas Delgadas

Planteamiento del Problema
El recubrimiento por rotación (spin coating) es un método estándar para la fabricación de películas poliméricas y elastómeras delgadas, particularmente para aplicaciones como los actuadores de elastómero dieléctrico (DEA), donde el rendimiento mecánico y funcional es inversamente proporcional al espesor de la película. Sin embargo, la verificación fiable del espesor para materiales altamente complacientes sigue siendo un desafío significativo. Las herramientas de contacto convencionales (por ejemplo, calibradores, micrómetros) inducen una deformación elástica en las películas blandas, lo que genera errores de medición que a menudo superan las tolerancias de fabricación. Por el contrario, los sistemas de metrología óptica sin contacto de alta resolución (por ejemplo, interferometría, elipsometría) suelen ser costosos, requieren calibraciones complejas, dependen de propiedades ópticas específicas o necesitan retirar las muestras del entorno de fabricación, interrumpiendo el flujo de trabajo. Existe una brecha entre la necesidad de un control preciso del espesor en la fabricación de películas blandas y la accesibilidad de las herramientas de medición que no deformen la muestra.

Metodología y Arquitectura del Sistema
Los autores presentan un recubridor por rotación de banco, de bajo costo y principalmente impreso en 3D, integrado con un sistema de medición de espesor óptico de mínima deformación. El sistema consta de tres subsistemas:

1. Recubridor Mecánico por Rotación: Construido en gran parte con PLA, cuenta con una placa de muestra accionada por motor, una carcasa protectora con un labio de atrapado de material y un sistema de retención de la placa de muestra magnético. Opera a velocidades suficientes para la fabricación de películas de 50–300 µm sin requerir motores industriales de alta precisión.
2. Sistema de Medición Óptica: Este subsistema utiliza una configuración de óptica geométrica para medir el espesor in-situ. Se coloca un espejo ligero sobre la superficie de la muestra curada. Un diodo láser (895 nm) refleja un haz hacia un fotodetector de cuadrante (Thorlabs PDQ80A). El sistema rastrea el desplazamiento del punto del haz reflejado para inferir los cambios de espesor. El diseño asegura que el peso del espejo cause una deflexión insignificante (<1.3 µm) en comparación con la deformación causada por micrómetros estándar (~19.5 µm).
3. Control y Adquisición de Datos: Un Arduino UNO controla el motor a través de un controlador SPARK MAX mediante un bus CAN para el control de velocidad de bucle cerrado. Un myRIO-1900 lee las señales analógicas del sensor de cuadrante para determinar el desplazamiento del haz, el cual se convierte en espesor mediante una constante de calibración.

Contribuciones Clave
El artículo describe cuatro contribuciones principales:

1. Integración: La unificación de la fabricación y la medición de espesor con mínima deflexión en un solo sistema de banco accesible, eliminando la necesidad de retirar la muestra.
2. Enfoque de Medición: Un método óptico de punto único e independiente del material, adecuado para películas altamente complacientes donde las herramientas de contacto fallan.
3. Validación Cuantitativa: Pruebas rigurosas de la precisión y repetibilidad de la medición utilizando láminas metálicas calibradas y películas de silicona.
4. Accesibilidad: La demostración de que es posible lograr la fabricación de películas complacientes con control de espesor sin equipo de metrología industrial especializado, recurriendo en su lugar a la impresión 3D y componentes electrónicos estándar.

Resultados Experimentales

• Resolución y Precisión: Utilizando láminas de acero inoxidable calibradas, el sistema logró una resolución de espesor de 3.6–3.7 µm. La repetibilidad de medición en el mejor de los casos fue de 13 µm (intervalo de confianza del 95%) cuando se calibró cerca del espesor objetivo.
• Restricciones de Linealidad: El sistema opera eficazmente dentro del rango de respuesta lineal del sensor de cuadrante. Las mediciones para muestras significativamente más gruesas que la referencia de calibración (por ejemplo, muestras de 0.5 mm calibradas contra referencias de 0.2 mm o 0.3 mm) mostraron un aumento en el error e intervalos de confianza debido a que el desplazamiento del haz excedió el dominio lineal del sensor.
• Fabricación de Silicona: El sistema fabricó con éxito películas de silicona Ecoflex10T con un espesor objetivo de 0.3 mm. Las películas producidas estuvieron dentro de un margen de 9 µm respecto al espesor objetivo basado en mediciones comparativas con micrómetro (utilizando un método de apilamiento para mitigar la deformación). El sistema de medición mostró una repetibilidad en el peor de los casos de 58 µm para la silicona, atribuida en parte a la viscosidad de la superficie de la película que afectó el asentamiento del espejo.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo aborda una brecha práctica en la fabricación a escala de investigación al proporcionar una plataforma de prueba de concepto que integra la fabricación y la verificación. El sistema demuestra que la metrología óptica accesible puede integrarse en flujos de trabajo de recubrimiento por rotación de bajo costo para lograr un control de espesor dentro de los 10 µm para películas blandas. Aunque los autores reconocen limitaciones respecto a la linealidad del sensor para muestras más gruesas y la variabilidad en la colocación del espejo sobre superficies pegajosas, sostienen que la plataforma valida con éxito la viabilidad de la verificación de espesor in-situ y no destructiva para materiales complacientes sin el costo y la complejidad de la instrumentación industrial. El trabajo sirve como base para el refinamiento iterativo hacia sistemas de fabricación-medición más robustos.