Miglioramento della sensibilità dei sensori di pressione capacitivi morbidi utilizzando una tecnica di controllo della porosità basata sull'evaporazione del solvente
Summary
Viene presentato un metodo di fabbricazione semplice ed economico basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per ottimizzare le prestazioni di un sensore di pressione capacitivo morbido, che è reso possibile dal controllo della porosità nello strato dielettrico utilizzando diversi rapporti di massa della soluzione di stampaggio PDMS / toluene.
Abstract
I sensori di pressione dolce svolgono un ruolo significativo nello sviluppo della sensazione tattile “uomo-macchina” nella robotica morbida e nelle interfacce tattili. In particolare, i sensori capacitivi con matrici polimeriche microstrutturate sono stati esplorati con notevole sforzo a causa della loro elevata sensibilità, ampia gamma di linearità e tempi di risposta rapidi. Tuttavia, il miglioramento delle prestazioni di rilevamento si basa spesso sulla progettazione strutturale dello strato dielettrico, che richiede sofisticate strutture di microfabbricazione. Questo articolo riporta un metodo semplice e a basso costo per fabbricare sensori di pressione capacitivi porosi con una sensibilità migliorata utilizzando il metodo basato sull’evaporazione del solvente per regolare la porosità. Il sensore è costituito da uno strato dielettrico poroso di polidimetilsilossano (PDMS) legato con elettrodi superiore e inferiore realizzati in compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC). Gli elettrodi sono stati preparati mediante liquame conduttivo PDMS drogato con nanotubi di carbonio (CNT) in pellicole PDMS modellate con stampi. Per ottimizzare la porosità dello strato dielettrico per migliorare le prestazioni di rilevamento, la soluzione PDMS è stata diluita con toluene di diverse frazioni di massa invece di filtrare o macinare l’agente formante i pori dello zucchero (PFA) in diverse dimensioni. L’evaporazione del solvente toluene ha permesso la rapida fabbricazione di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabili. È stato confermato che la sensibilità potrebbe essere aumentata di più di due volte quando il rapporto toluene / PDMS è stato aumentato da 1: 8 a 1: 1. La ricerca proposta in questo lavoro consente un metodo a basso costo per fabbricare pinze robotiche morbide bioniche completamente integrate con meccanorecettori sensoriali morbidi di parametri di sensori sintonizzabili.
Introduction
Negli ultimi anni, i sensori di pressione flessibili hanno attirato l’attenzione grazie alla loro indispensabile applicazione nella robotica morbida 1,2,3, nelle interfacce tattili “uomo-macchina” 4,5 e nel monitoraggio della salute 6,7,8. Generalmente, i meccanismi per il rilevamento della pressione includono piezoresistivo 1,4,7, piezoelettrico 2,6, capacitivo 2,3,9,10,11,12,13 e triboelettrico 8 sensori. Tra questi, i sensori di pressione capacitivi si distinguono come uno dei metodi più promettenti nel rilevamento tattile grazie alla loro alta sensibilità, basso limite di rilevamento (LOD), ecc.
Per migliorare le prestazioni di rilevamento, varie microstrutture come micropiramidi 2,9,14, micropilastri 15 e micropori 9,10,11,12,13,16,17 sono state introdotte nei sensori di pressione capacitivi flessibili e i metodi di fabbricazione sono stati ottimizzati per migliorare ulteriormente il rilevamento prestazioni di tali strutture. Tuttavia, la maggior parte di queste strutture richiede sofisticate strutture di microfabbricazione, il che aumenta significativamente i costi di produzione e le difficoltà operative. Ad esempio, come la microstruttura più comunemente utilizzata nei sensori di pressione morbida, le micropiramidi si basano su wafer di Si litograficamente definiti e incisi a umido come modello di stampaggio, che richiede attrezzature di precisione e un ambiente rigoroso per camere bianche 9,14. Pertanto, le strutture a micropori (strutture porose) che possono essere realizzate con semplici processi di fabbricazione e con materie prime a basso costo pur mantenendo elevate prestazioni di rilevamento hanno attirato recentemente una crescente attenzione 9,10,11,12,13,16,17 . Questo sarà discusso, insieme agli svantaggi della modifica del PFA e della sua quantità, come motivazione per l’utilizzo del nostro metodo di controllo della frazione.
Qui, questo lavoro propone un metodo semplice e a basso costo basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per fabbricare un sensore di pressione capacitivo flessibile poroso con porosità controllabile. Il processo di produzione completo comprende la fabbricazione dello strato dielettrico poroso PDMS, il rivestimento raschiante degli elettrodi e l’incollaggio di tre strati funzionali. In particolare, questo lavoro utilizza in modo innovativo una soluzione mista PDMS / toluene con un certo rapporto di massa per fabbricare lo strato dielettrico PDMS poroso basato sul modello di miscela zucchero / eritritolo. Nel frattempo, una dimensione uniforme delle particelle PFA garantisce una morfologia e una distribuzione uniformi dei pori; quindi, la porosità può essere controllata modificando il rapporto di massa PDMS/toluene. I risultati sperimentali mostrano che la sensibilità del sensore di pressione proposto può essere aumentata di oltre due volte aumentando il rapporto di massa PDMS/toluene da 1:8 a 1:1. La variazione dello spessore della parete dei micropori dovuta ai diversi rapporti di massa PDMS/toluene è confermata anche dalle immagini del microscopio ottico. Il sensore di pressione capacitivo morbido ottimizzato mostra prestazioni di rilevamento elevate con una sensibilità e un tempo di risposta rispettivamente del 3,47% kPa−1 e 0,2 s. Questo metodo consente di ottenere la fabbricazione rapida, a basso costo e facile da usare di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabile.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo lavoro propone un metodo semplice basato sull’evaporazione del solvente per controllare la porosità, e una serie di risultati sperimentali hanno dimostrato la sua fattibilità. Sebbene la struttura porosa sia stata ampiamente utilizzata nel sensore di pressione capacitivo flessibile, il controllo della porosità necessita ancora di un’ulteriore ottimizzazione. A differenza dei metodi esistenti per modificare la dimensione delle particelle del PFA 11,12,13,18,19 e il rapporto tra substrato polimerico e PFA <sup cl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China sotto 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).
