Mejora de la sensibilidad de los sensores de presión capacitivos blandos mediante una técnica de control de porosidad basada en la evaporación de disolventes

En los últimos años, los sensores de presión flexibles han llamado la atención debido a su aplicación indispensable en robótica blanda ^1,2,3, interfaces hápticas “hombre-máquina” ^4,5 y monitoreo de salud 6,7,8. En general, los mecanismos para la detección de presión incluyen piezorresistivo 1,4,7, piezoeléctrico ^2,6, capacitivo 2,3,9,10,11,12,13 y triboeléctrico 8 sensores. Entre ellos, los sensores de presión capacitivos destacan como uno de los métodos más prometedores en detección táctil debido a su alta sensibilidad, bajo límite de detección (LOD), etc.

Para un mejor rendimiento de detección, se han introducido varias microestructuras como micropirámides 2,9,14, micropilares 15 y microporos^{9,10,11,12,13,16,17} a sensores de presión capacitivos flexibles^, y los métodos de fabricación también se han optimizado para mejorar aún más la detección. prestaciones de tales estructuras. Sin embargo, la mayoría de estas estructuras requieren sofisticadas instalaciones de microfabricación, lo que aumenta significativamente los costos de fabricación y las dificultades operativas. Por ejemplo, como la microestructura más utilizada en sensores de presión blanda, las micropirámides se basan en obleas de Si litográficamente definidas y grabadas en húmedo como plantilla de moldeo, lo que requiere equipos de precisión y un estricto ambiente de sala limpia ^9,14. Por lo tanto, las estructuras de microporos (estructuras porosas) que se pueden hacer mediante procesos de fabricación simples y con materias primas de bajo costo mientras se mantienen altos rendimientos de detección han atraído cada vez más atención recientemente 9,10,11,12,13,16,17 . Esto se discutirá, junto con las desventajas de cambiar el PFA y su cantidad, como la motivación para usar nuestro método de control de fracciones.

Aquí, este trabajo propone un método simple y de bajo costo basado en la técnica de evaporación de solventes para fabricar un sensor de presión capacitiva flexible poroso con porosidad controlable. El proceso de fabricación completo incluye la fabricación de la capa dieléctrica PDMS porosa, el recubrimiento de raspado de los electrodos y la unión de tres capas funcionales. Específicamente, este trabajo utiliza de manera innovadora una solución mixta PDMS / tolueno con una cierta relación de masa para fabricar la capa dieléctrica PDMS porosa basada en la plantilla de mezcla de azúcar / eritritol. Mientras tanto, un tamaño de partícula PFA uniforme garantiza una morfología y distribución de poros uniformes; por lo tanto, la porosidad se puede controlar cambiando la relación de masa PDMS/tolueno. Los resultados experimentales muestran que la sensibilidad del sensor de presión propuesto se puede mejorar más del doble aumentando la relación masa PDMS/tolueno de 1:8 a 1:1. La variación en el espesor de la pared del microporo debido a las diferentes relaciones de masa PDMS / tolueno también se confirma mediante imágenes de microscopio óptico. El sensor de presión capacitiva suave optimizado muestra un alto rendimiento de detección con una sensibilidad y un tiempo de respuesta de 3,47% kPa⁻¹ y 0,2 s, respectivamente. Este método logra la fabricación rápida, de bajo costo y fácil operación de una capa dieléctrica porosa con porosidad controlable.