溶媒蒸発に基づく気孔率制御技術を用いたソフト静電容量式圧力センサの感度向上
Summary
溶媒蒸発技術に基づくシンプルでコスト効率の高い製造方法を提示し、成形PDMS/トルエン溶液の異なる質量比を使用した誘電体層の空隙率制御によって可能になるソフト静電容量式圧力センサの性能を最適化します。
Abstract
軟圧センサは、ソフトロボティクスや触覚インターフェースにおける「マンマシン」触覚の開発に重要な役割を果たします。具体的には、微細構造のポリマーマトリックスを備えた静電容量センサーは、その高感度、広い直線性範囲、および高速応答時間のために、かなりの労力で検討されてきました。しかし、センシング性能の向上は誘電体層の構造設計に依存することが多く、高度な微細加工設備が必要です。本稿では、溶媒蒸発ベースの方法で気孔率を調整することにより、感度を向上させた多孔質静電容量式圧力センサを簡単かつ低コストで製造する方法を報告する。このセンサは、弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)で作られた上部および下部電極と結合された多孔質ポリジメチルシロキサン(PDMS)誘電体層で構成されています。電極は、カーボンナノチューブ(CNT)ドープPDMS導電性スラリーをモールドパターン化されたPDMSフィルムにスクレイプコーティングすることによって調製されました。誘電体層の空隙率を最適化してセンシング性能を向上させるために、PDMS溶液を、糖孔形成剤(PFA)を異なるサイズに濾過または粉砕する代わりに、異なる質量分率のトルエンで希釈した。トルエン溶媒の蒸発により、制御可能な多孔性を有する多孔質誘電体層の迅速な作製が可能となった。トルエンとPDMSの比率を1:8から1:1にすると、感度が2倍に向上することが確認されました。この研究で提案された研究は、調整可能なセンサーパラメータの柔らかい感覚機械受容器を備えた完全に統合されたバイオニックソフトロボットグリッパーを製造する低コストの方法を可能にします。
Introduction
近年、フレキシブル圧力センサは、ソフトロボティクス1,2,3、「マンマシン」触覚インターフェース4,5、およびヘルスモニタリング6,7,8に不可欠なアプリケーションとして注目されています。一般に、圧力検出のメカニズムには、ピエゾ抵抗1,4,7、圧電2,6、容量性2,3,9,10,11,12,13、および摩擦電気8が含まれます。センサー。その中で、静電容量式圧力センサーは、感度が高く、検出限界が低い(LOD)などにより、触覚センシングの最も有望な方法の1つとして際立っています。
センシング性能を向上させるために、マイクロピラミッド2,9,14、マイクロピラー15、マイクロポア9,10,11,12,13,16,17などのさまざまな微細構造を柔軟な静電容量式圧力センサに導入し、製造方法も最適化してセンシングをさらに向上させました。そのような構造のパフォーマンス。ただし、これらの構造のほとんどは高度な微細加工設備を必要とするため、製造コストと運用上の困難が大幅に増加します。たとえば、軟圧センサーで最も一般的に使用される微細構造として、マイクロピラミッドは、成形テンプレートとしてリソグラフィーで定義されウェットエッチングされたSiウェーハに依存しており、精密機器と厳格なクリーンルーム環境が必要です9,14。そのため、高いセンシング性能を維持しながら、簡便な加工工程で低コストの原料で作製できるミクロポア構造(多孔質構造)が近年注目されています9,10,11,12,13,16,17 .これについては,PFAとその量を変更することのデメリットとともに,フラクションコントロール法を使用する動機として議論する。
本研究では、溶媒蒸発技術に基づく簡便かつ低コストな方法を提案し、制御可能な気孔率を有する多孔質可沓性静電容量式圧力センサを作製する。完全な製造プロセスには、多孔質PDMS誘電体層の製造、電極のスクレイプコーティング、および3つの機能層の接着が含まれます。具体的には、この研究では、特定の質量比のPDMS/トルエン混合溶液を使用して、糖/エリスリトール混合物テンプレートに基づいて多孔質PDMS誘電体層を作製します。一方、均一なPFA粒子サイズは、均一な細孔形態と分布を保証します。したがって、気孔率は、PDMS/トルエンの質量比を変更することによって制御することができる。実験結果は、PDMS/トルエンの質量比を1:8から1:1に増やすことにより、提案する圧力センサの感度を2倍以上に高めることができることを示しています。PDMS/トルエンの質量比の違いによるミクロ細孔壁厚の変化は、光学顕微鏡画像でも確認されています。最適化されたソフト静電容量式圧力センサは、感度と応答時間がそれぞれ3.47%kPa−1 と0.2秒の高い検出性能を示します。この手法により、空隙率を制御可能な多孔質誘電体層の高速・低コスト・簡便な作製を実現します。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、溶媒蒸発による気孔率制御の簡便な方法を提案し、一連の実験結果によりその実現可能性を証明した。多孔質構造は柔軟な静電容量式圧力センサで広く使用されていますが、気孔率制御にはさらに最適化が必要です。PFA 11,12,13,18,19の粒径やPFA17,20<sup class="x…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、助成金62273304の下で中国国立自然科学財団によって支援されました。
Materials
| 3D printer | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | X-MAX | |
| 3D printing metarials | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | 3D Printing Filament PLA 1.75 mm | |
| Carbon nanotubes (CNTs) | XFNANO | XFM13 | |
| Data acquisition (DAQ) | National Instruments | USB6002 | |
| Double side tape | Minnesota Mining and Manufacturing (3M) | 3M VHB 4910 | 1 mm thick |
| Electrode metal mold | Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | This metal mold is a round metal plate with a flat bottom round groove and an embossed electrode pattern of 0.2 mm thick in the middle of the groove. | |
| Erythritol | Shandong Sanyuan Biotechnology Co.,Ltd. | ||
| Isopropyl Alcohol (IPA) | Sinopharm chemical reagent Co., Ltd | 80109218 | |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2019 | |
| LCR meter | Keysight | EA4980AL | |
| Metal wire | Hangzhou Hongtong WIRE&CABLE Co., Ltd. | 2UEW/155 | |
| Microscope | Aosvi | T2-3M180 | |
| Numerical modeling software | COMSOL | COMSOL Multiphysics 5.6 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Chemical Company | SYLGAR 184 Silicone Elastomer Kit | Two parts (base and curing agent) |
| Sealing film | Corning | PM-996 | parafilm |
| Si wafer | Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology Co.,Ltd | ZK20220416-03 | Diameter (mm): 50.8 +/- 0.3 Type/Orientation: P/100 Thickness (µm): 525 +/- 25 |
| Silver conductive paint | Electron Microscopy Sciences | 12686-15 | |
| Stepping motor | BEIJING HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd | 57H B56L4-30DB | |
| Sugar/erythritol template metal mold | Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | This metal mold is a 5 mm thick square metal plate with a flat bottom square groove of 2.5 mm deep. | |
| Toluene | Sinopharm chemical reagent Co., Ltd | 10022819 |
Riferimenti
- Ozioko, O., et al. SensAct: The soft and squishy tactile Sensor with integrated flexible actuator. Advanced Intelligent Systems. 3 (3), 1900145 (2021).
- Qiu, Y., et al. A biomimetic drosera capensis with adaptive decision-predation behavior based on multifunctional sensing and fast actuating capability. Advanced Functional Materials. 32 (13), 2110296 (2021).
- Ntagios, M., Nassar, H., Pullanchiyodan, A., Navaraj, W. T., Dahiya, R. Robotic hands with intrinsic tactile sensing via 3D printed soft pressure sensors. Advanced Intelligent Systems. 2 (6), 1900080 (2019).
- Tang, Z., Jia, S., Zhou, C., Li, B. 3D Printing of highly sensitive and large-measurement-range flexible pressure sensors with a positive piezoresistive effect. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (25), 28669-28680 (2020).
- Dai, Y., Chen, J., Tian, W., Xu, L., Gao, S. A PVDF/Au/PEN multifunctional flexible human-machine interface for multidimensional sensing and energy harvesting for the internet of things. IEEE Sensors Journal. 20 (14), 7556-7568 (2020).
- Yang, Y., et al. Flexible piezoelectric pressure sensor based on polydopamine-modified BaTiO3/PVDF composite film for human motion monitoring. Sensors and Actuators A: Physical. 301, 111789 (2020).
- Gao, Y. J., et al. Wearable microfluidic diaphragm pressure sensor for health and tactile touch monitoring. Advanced Materials. 29 (39), 1701985 (2017).
- Meng, K., et al. Flexible weaving constructed self-powered pressure sensor enabling continuous diagnosis of cardiovascular disease and measurement of cuffless blood pressure. Advanced Functional Materials. 29 (5), 180688 (2019).
- Yang, J. C., et al. Microstructured porous pyramid-based ultrahigh sensitive pressure sensor insensitive to strain and temperature. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (21), 19472-19480 (2019).
- Chen, S., Zhuo, B., Guo, X. Large area one-step facile processing of microstructured elastomeric dielectric film for high sensitivity and durable sensing over wide pressure range. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (31), 20364-20370 (2016).
- Ding, H., et al. Influence of the pore size on the sensitivity of flexible and wearable pressure sensors based on porous Ecoflex dielectric layers. Materials Research Express. 6 (6), 066304 (2019).
- Yoon, J. I., Choi, K. S., Chang, S. P. A novel means of fabricating microporous structures for the dielectric layers of capacitive pressure sensor. Microelectronic Engineering. 179, 60-66 (2017).
- Wang, J., Li, L., Zhang, L., Zhang, P., Pu, X. Flexible capacitive pressure sensors with micro-patterned porous dielectric layer for wearable electronics. Journal of Micromechanics and Microengineering. 32 (3), 034003 (2022).
- Mannsfeld, S. C. B., et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nature Materials. 9 (10), 859-864 (2010).
- Wan, Y., et al. A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high-aspect-ratio microstructures. Advanced Electronic Materials. 4 (4), 1700586 (2018).
- Kwon, D., et al. Highly sensitive, flexible, and wearable pressure sensor based on a giant piezocapacitive effect of three-dimensional microporous elastomeric dielectric layer. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (26), 16922-16931 (2016).
- Li, W., et al. A porous and air gap elastomeric dielectric layer for wearable capacitive pressure sensor with high sensitivity and a wide detection range. Journal of Materials Chemistry C. 8 (33), 11468-11476 (2020).
- Kim, J. O., et al. Highly ordered 3D microstructure-based electronic skin capable of differentiating pressure, temperature, and proximity. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (1), 1503-1511 (2019).
- Lo, L. W., et al. A soft sponge sensor for multimodal sensing and distinguishing of pressure, strain, and temperature. ACS Applied Materials & Interfaces. 14 (7), 9570-9578 (2022).
- Hwang, J., Kim, Y., Yang, H., Oh, J. H. Fabrication of hierarchically porous structured PDMS composites and their application as a flexible capacitive pressure sensor. Composites Part B: Engineering. 211, 108607 (2021).
- Jung, Y., et al. Linearly sensitive pressure sensor based on a porous multistacked composite structure with controlled mechanical and electrical properties. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (24), 28975-28984 (2021).
- Choi, J., et al. Synergetic effect of porous elastomer and percolation of carbon nanotube filler toward high performance capacitive pressure sensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (1), 1698-1706 (2020).
- Choi, S. J., et al. A polydimethylsiloxane (PDMS) sponge for the selective absorption of oil from water. ACS Applied Materials & Interfaces. 3 (12), 4552-4556 (2011).
- Rinaldi, A., Tamburrano, A., Fortunato, M., Sarto, M. S. A flexible and highly sensitive pressure sensor based on a PDMS foam coated with graphene nanoplatelets. Sensors. 16 (12), 2148 (2016).
