Amélioration de la sensibilité de capteurs de pression capacitifs souples à l’aide d’une technique de contrôle de porosité basée sur l’évaporation de solvant

Ces dernières années, les capteurs de pression flexibles ont attiré l’attention en raison de leur application indispensable dans la robotique douce ^1,2,3, les interfaces haptiques « homme-machine » ^4,5 et la surveillance de la santé 6,7,8. Généralement, les mécanismes de détection de pression comprennent piézorésistif 1,4,7, piézoélectrique ^2,6, capacitif 2,3,9,10,11,12,13 et triboélectrique 8 Capteurs. Parmi eux, les capteurs de pression capacitifs se distinguent comme l’une des méthodes les plus prometteuses en détection tactile en raison de leur sensibilité élevée, de leur faible limite de détection (LOD), etc.

Pour de meilleures performances de détection, diverses microstructures telles que les micro-pyramides 2,9,14, les micro-piliers 15 et les micro-pores ^{9,10,11,12,13,16,17} ont été introduites dans les capteurs de pression capacitifs flexibles^, et les méthodes de fabrication ont également été optimisées pour améliorer encore la détection. les performances de ces structures. Cependant, la plupart de ces structures nécessitent des installations de microfabrication sophistiquées, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication et les difficultés opérationnelles. Par exemple, en tant que microstructure la plus couramment utilisée dans les capteurs de pression douce, les micropyramides reposent sur des plaquettes de Si lithographiquement définies et gravées par voie humide comme modèle de moulage, ce qui nécessite un équipement de précision et un environnement de salle blanche strict ^9,14. Par conséquent, les structures microporeuses (structures poreuses) qui peuvent être fabriquées par des procédés de fabrication simples et avec des matières premières à faible coût tout en maintenant des performances de détection élevées ont attiré une attention croissante récemment 9,10,11,12,13,16,17 . Cela sera discuté, ainsi que les inconvénients de la modification du PFA et de sa quantité, comme motivation pour utiliser notre méthode de contrôle des fractions.

Ici, ce travail propose une méthode simple et peu coûteuse basée sur la technique d’évaporation du solvant pour fabriquer un capteur de pression capacitif flexible poreux avec une porosité contrôlable. Le processus de fabrication complet comprend la fabrication de la couche diélectrique PDMS poreuse, le revêtement par éraflure des électrodes et le collage de trois couches fonctionnelles. Plus précisément, ce travail utilise de manière innovante une solution mixte PDMS/toluène avec un certain rapport de masse pour fabriquer la couche diélectrique PDMS poreuse basée sur le modèle de mélange sucre/érythritol. Pendant ce temps, une taille uniforme des particules de PFA assure une morphologie et une distribution uniformes des pores; ainsi, la porosité peut être contrôlée en modifiant le rapport de masse PDMS/toluène. Les résultats expérimentaux montrent que la sensibilité du capteur de pression proposé peut être multipliée par plus de deux en augmentant le rapport de masse PDMS/toluène de 1:8 à 1:1. La variation de l’épaisseur de la paroi des micropores due aux différents rapports de masse PDMS/toluène est également confirmée par des images au microscope optique. Le capteur de pression capacitif souple optimisé affiche des performances de détection élevées avec une sensibilité et un temps de réponse de 3,47% kPa⁻¹ et 0,2 s, respectivement. Cette méthode permet de fabriquer rapidement, à faible coût et facilement une couche diélectrique poreuse avec une porosité contrôlable.