Känslighetsförbättring av mjuka kapacitiva trycksensorer med hjälp av en lösningsmedelsindunstningsbaserad porositetskontrollteknik
Summary
En enkel och kostnadseffektiv tillverkningsmetod baserad på lösningsmedelsindunstningstekniken presenteras för att optimera prestandan hos en mjuk kapacitiv trycksensor, som möjliggörs av porositetskontroll i det dielektriska skiktet med olika massförhållanden för gjutnings-PDMS / toluenlösningen.
Abstract
Mjuka trycksensorer spelar en viktig roll för att utveckla “man-maskin” taktil känsla i mjuk robotik och haptiska gränssnitt. Specifikt har kapacitiva sensorer med mikrostrukturerade polymermatriser utforskats med stor ansträngning på grund av deras höga känslighet, breda linjäritetsområde och snabba svarstid. Förbättringen av avkänningsprestandan är emellertid ofta beroende av det dielektriska skiktets strukturella design, vilket kräver sofistikerade mikrofabrikationsanläggningar. Denna artikel rapporterar en enkel och billig metod för att tillverka porösa kapacitiva trycksensorer med förbättrad känslighet med hjälp av lösningsmedelsindunstningsbaserad metod för att ställa in porositeten. Sensorn består av ett poröst polydimetylsiloxan (PDMS) dielektriskt skikt bundet med topp- och bottenelektroder tillverkade av elastiska ledande polymerkompositer (ECPC). Elektroderna framställdes genom skrapbeläggning av kolnanorör (CNT)-dopad PDMS ledande uppslamning till formmönstrade PDMS-filmer. För att optimera porositeten hos det dielektriska skiktet för förbättrad avkänningsprestanda späddes PDMS-lösningen med toluen med olika massfraktioner istället för att filtrera eller mala det sockerporbildande medlet (PFA) i olika storlekar. Avdunstningen av toluenlösningsmedlet möjliggjorde snabb tillverkning av ett poröst dielektriskt skikt med kontrollerbara porositeter. Det bekräftades att känsligheten kunde förbättras mer tvåfaldigt när förhållandet toluen till PDMS ökades från 1:8 till 1:1. Forskningen som föreslås i detta arbete möjliggör en billig metod för att tillverka helt integrerade bioniska mjuka robotgripdon med mjuka sensoriska mekanoreceptorer av avstämbara sensorparametrar.
Introduction
Under de senaste åren har flexibla trycksensorer uppmärksammats på grund av deras oumbärliga tillämpning i mjuk robotik 1,2,3, “man-maskin” haptiska gränssnitt4,5 och hälsoövervakning 6,7,8. I allmänhet inkluderar mekanismerna för tryckavkänning piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapacitiv 2,3,9,10,11,12,13 och triboelektrisk 8 Sensorer. Bland dem sticker kapacitiva trycksensorer ut som en av de mest lovande metoderna inom taktil avkänning på grund av deras höga känslighet, låga detektionsgräns (LOD) etc.
För bättre avkänningsprestanda har olika mikrostrukturer såsom mikropyramider 2,9,14, mikropelare 15 och mikroporer9,10,11,12,13,16,17 introducerats till flexibla kapacitiva trycksensorer, och tillverkningsmetoderna har också optimerats för att ytterligare förbättra avkänningen prestanda av sådana strukturer. De flesta av dessa strukturer kräver dock sofistikerade mikrofabrikationsanläggningar, vilket avsevärt ökar tillverkningskostnaderna och driftssvårigheterna. Till exempel, som den vanligaste mikrostrukturen i mjuktryckssensorer, förlitar sig mikropyramider på litografiskt definierade och våtetsade Si-skivor som gjutmall, vilket kräver precisionsutrustning och en strikt renrumsmiljö 9,14. Därför har mikroporstrukturer (porösa strukturer) som kan tillverkas genom enkla tillverkningsprocesser och med billiga råvaror samtidigt som höga avkänningsprestanda bibehålls uppmärksammats ökat nyligen 9,10,11,12,13,16,17 . Detta kommer att diskuteras, tillsammans med nackdelarna med att ändra PFA och dess mängd, som motivation för att använda vår fraktionskontrollmetod.
Häri föreslår detta arbete en enkel och billig metod baserad på lösningsmedelsindunstningstekniken för att tillverka en porös flexibel kapacitiv trycksensor med kontrollerbar porositet. Den kompletta tillverkningsprocessen inkluderar tillverkning av det porösa PDMS-dielektriska skiktet, skrapbeläggningen av elektroderna och bindningen av tre funktionella skikt. Specifikt använder detta arbete innovativt en PDMS / toluenblandad lösning med ett visst massförhållande för att tillverka det porösa PDMS-dielektriska skiktet baserat på socker/erytritolblandningsmallen. Samtidigt säkerställer en enhetlig PFA-partikelstorlek enhetlig pormorfologi och fördelning; Således kan porositeten kontrolleras genom att ändra PDMS / toluenmassförhållandet. De experimentella resultaten visar att känsligheten hos den föreslagna trycksensorn kan förbättras mer än dubbelt genom att öka PDMS / toluenmassförhållandet från 1: 8 till 1: 1. Variationen i mikroporväggens tjocklek på grund av olika PDMS / toluenmassförhållanden bekräftas också av optiska mikroskopbilder. Den optimerade mjuka kapacitiva trycksensorn visar en hög avkänningsprestanda med en känslighet och responstid på 3,47% kPa−1 respektive 0,2 s. Denna metod uppnår snabb, billig och lättmanövrerad tillverkning av ett poröst dielektriskt skikt med kontrollerbar porositet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta arbete föreslår en enkel metod baserad på lösningsmedelsindunstning för att kontrollera porositeten, och en serie experimentella resultat har visat sin genomförbarhet. Även om den porösa strukturen har använts i stor utsträckning i den flexibla kapacitiva trycksensorn, behöver porositetskontrollen fortfarande ytterligare optimering. Till skillnad från befintliga metoder för att ändra partikelstorleken på PFA 11,12,13,18,19 och förhållandet mellan polymersubstrat och PFA <sup…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.
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 |
Referências
- 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).
