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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.
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 |