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

Resumo Técnico: Design e Fabricação de um Spin Coater com Medição Óptica In-Situ para Filmes Finos Macios

Definição do Problema
O spin coating é um método padrão para a fabricação de filmes poliméricos e elastoméricos finos, particularmente para aplicações como atuadores de elastômero dielétrico (DEAs), onde o desempenho mecânico e funcional é inversamente proporcional à espessura do filme. No entanto, a verificação confiável da espessura para materiais altamente complacentes permanece um desafio significativo. Ferramentas de contato convencionais (ex: paquímetros, micrômetros) induzem deformação elástica em filmes macios, levando a erros de medição que frequentemente excedem as tolerâncias de fabricação. Por outro lado, sistemas de metrologia óptica sem contato de alta resolução (ex: interferometria, ellipsometria) são frequentemente caros, exigem calibrações complexas, dependem de propriedades ópticas específicas ou necessitam da remoção das amostras do ambiente de fabricação, interrompendo o fluxo de trabalho. Existe uma lacuna entre a necessidade de controle preciso de espessura na manufatura de filmes macios e a acessibilidade de ferramentas de medição que não deformem a amostra.

Metodologia e Arquitetura do Sistema
Os autores apresentam um spin coater de bancada de baixo custo, construído primordialmente via impressão 3D, integrado a um sistema de medição de espessura óptica com deformação mínima. O sistema compreende três subsistemas:

1. Spin Coater Mecânico: Construído majoritariamente em PLA, apresenta uma placa de amostra motorizada, uma cúpula de proteção com aba de retenção de material e um sistema de retenção de placa de amostra magnético. Opera em velocidades suficientes para a fabricação de filmes de 50–300 µm sem a necessidade de motores industriais de alta precisão.
2. Sistema de Medição Óptica: Este subsistema utiliza uma configuração de óptica geométrica para medir a espessura in-situ. Um espelho leve é colocado sobre a superfície da amostra curada. Um diodo laser (895 nm) reflete no espelho sobre um fotodetector de quadrante (Thorlabs PDQ80A). O sistema rastreia o deslocamento do ponto do feixe refletido para inferir mudanças de espessura. O design garante que o peso do espelho cause uma deflexão desprezível (<1,3 µm) comparada à deformação causada por micrômetros padrão (~19,5 µm).
3. Controle e Aquisição de Dados: Um Arduino UNO controla o motor através de um controlador SPARK MAX via barramento CAN para controle de velocidade em malha fechada. Um myRIO-1900 lê os sinais analógicos do sensor de quadrante para determinar o deslocamento do feixe, que é convertido em espessura através de uma constante de calibração.

Principais Contribuições
O artigo descreve quatro contribuições primárias:

1. Integração: A unificação da fabricação e da medição de espessura com baixa deflexão em um único sistema de bancada acessível, eliminando a necessidade de remoção da amostra.
2. Abordagem de Medição: Um método óptico de ponto único e independente de material, adequado para filmes altamente complacentes onde ferramentas de contato falham.
3. Validação Quantitativa: Testes rigorosos de precisão e repetibilidade de medição utilizando calços metálicos calibrados e filmes de silicone.
4. Acessibilidade: Demonstração de que a fabricação com controle de espessura de filmes complacentes é alcançável sem equipamentos de metrologia industrial especializados, baseando-se em impressão 3D e componentes eletrônicos padrão.

Resultos Experimentais

• Resolução e Precisão: Utilizando calços de aço inoxidável calibrados, o sistema alcançou uma resolução de espessura de 3,6–3,7 µm. A melhor repetibilidade de medição foi de 13 µm (intervalo de confiança de 95%) quando calibrado próximo à espessura alvo.
• Restrições de Linearidade: O sistema opera efetivamente dentro da faixa de resposta linear do sensor de quadrante. Medições para amostras significativamente mais espessas que a referência de calibração (ex: amostras de 0,5 mm calibradas contra referências de 0,2 mm ou 0,3 mm) mostraram aumento de erro e intervalos de confiança devido ao deslocamento do feixe exceder o domínio linear do sensor.
• Fabricação de Silicone: O sistema fabricou com sucesso filmes de silicone Ecoflex10T com uma espessura alvo de 0,3 mm. Os filmes produzidos estavam dentro de 9 µm da espessura alvo baseada em medições comparativas de micrômetro (utilizando um método de empilhamento para mitigar a deformação). O sistema de medição apresentou uma repetibilidade de pior caso de 58 µm para o silicone, atribuída em parte à viscosidade do material afetando o assentamento do espelho.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este trabalho aborda uma lacuna prática na manufatura em escala de pesquisa ao fornecer uma plataforma de prova de conceito que integra fabricação e verificação. O sistema demonstra que a metrologia óptica acessível pode ser incorporada a fluxos de trabalho de spin coating de baixo custo para alcançar controle de espessura dentro de 10 µm para filmes macios. Embora os autores reconheçam limitações quanto à linearidade do sensor para amostras mais espessas e à variabilidade do posicionamento do espelho em superfícies pegajosas, eles afirmam que a plataforma valida com sucesso a viabilidade de verificação de espessura in-situ e não destrutiva para materiais complacentes sem o custo e a complexidade da instrumentação industrial. O trabalho serve como base para o refinamento iterativo em direção a sistemas de fabricação-medição mais robustos.