Gevoeligheidsverbetering van zachte capacitieve druksensoren met behulp van een op oplosmiddelverdamping gebaseerde porositeitscontroletechniek

In de afgelopen jaren hebben flexibele druksensoren de aandacht getrokken vanwege hun onmisbare toepassing in zachte robotica ^1,2,3, “mens-machine” haptische interfaces^4,5 en gezondheidsmonitoring 6,7,8. Over het algemeen omvatten de mechanismen voor drukdetectie piëzoresistief 1,4,7, piëzo-elektrisch ^2,6, capacitief 2,3,9,10,11,12,13 en tribo-elektrisch 8 Sensoren. Onder hen vallen capacitieve druksensoren op als een van de meest veelbelovende methoden in tactiele detectie vanwege hun hoge gevoeligheid, lage detectiegrens (LOD), enz.

Voor betere detectieprestaties zijn verschillende microstructuren zoals micropiramides 2,9,14, micropijlers 15 en microporiën^{9,10,11,12,13,16,17} geïntroduceerd in flexibele capacitieve druksensoren^, en de fabricagemethoden zijn ook geoptimaliseerd om de detectie verder te verbeteren uitvoeringen van dergelijke structuren. De meeste van deze structuren vereisen echter geavanceerde microfabricagefaciliteiten, wat de productiekosten en operationele problemen aanzienlijk verhoogt. Als de meest gebruikte microstructuur in zachte druksensoren vertrouwen micropiramides bijvoorbeeld op lithografisch gedefinieerde en nat geëtste Si-wafers als de vormsjabloon, die precisieapparatuur en een strikte cleanroomomgeving vereist ^9,14. Daarom hebben microporiënstructuren (poreuze structuren) die kunnen worden gemaakt door eenvoudige fabricageprocessen en met goedkope grondstoffen met behoud van hoge detectieprestaties, onlangs steeds meer aandacht getrokken 9,10,11,12,13,16,17 . Dit zal worden besproken, naast de nadelen van het veranderen van de PFA en de hoeveelheid ervan, als de motivatie voor het gebruik van onze fractiecontrolemethode.

Hierin stelt dit werk een eenvoudige en goedkope methode voor op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek om een poreuze flexibele capacitieve druksensor met controleerbare porositeit te fabriceren. Het volledige productieproces omvat de fabricage van de poreuze PDMS-diëlektrische laag, de schraaplaag van de elektroden en de verlijming van drie functionele lagen. In het bijzonder maakt dit werk op innovatieve wijze gebruik van een PDMS / tolueen gemengde oplossing met een bepaalde massaverhouding om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te fabriceren op basis van het suiker / erythritol-mengselsjabloon. Ondertussen zorgt een uniforme PFA-deeltjesgrootte voor een uniforme poriemorfologie en -verdeling; de porositeit kan dus worden geregeld door de PDMS/tolueenmassaverhouding te wijzigen. De experimentele resultaten tonen aan dat de gevoeligheid van de voorgestelde druksensor meer dan tweevoudig kan worden verbeterd door de PDMS / tolueen-massaverhouding te verhogen van 1: 8 naar 1: 1. De variatie in de wanddikte van de microporiën als gevolg van verschillende PDMS/tolueen massaverhoudingen wordt ook bevestigd door optische microscoopbeelden. De geoptimaliseerde zachte capacitieve druksensor toont hoge detectieprestaties met een gevoeligheid en responstijd van respectievelijk 3,47% kPa⁻¹ en 0,2 s. Deze methode bereikt de snelle, goedkope en eenvoudig te bedienen fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeit.