Empfindlichkeitssteigerung von weich-kapazitiven Drucksensoren unter Verwendung einer lösungsmittelbasierten Porositätskontrolltechnik
Summary
Es wird eine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode vorgestellt, die auf der Lösungsmittelverdampfungstechnik basiert, um die Leistung eines weich-kapazitiven Drucksensors zu optimieren, was durch Porositätskontrolle in der dielektrischen Schicht unter Verwendung verschiedener Massenverhältnisse der PDMS/Toluol-Lösung ermöglicht wird.
Abstract
Weichdrucksensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des “Mensch-Maschine”-Tastgefühls in der Softrobotik und haptischen Schnittstellen. Insbesondere kapazitive Sensoren mit mikrostrukturierten Polymermatrizes wurden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres breiten Linearitätsbereichs und ihrer schnellen Ansprechzeit mit erheblichem Aufwand erforscht. Die Verbesserung der Sensorleistung hängt jedoch häufig vom strukturellen Design der dielektrischen Schicht ab, was ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen erfordert. Dieser Artikel berichtet über eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung poröser kapazitiver Drucksensoren mit verbesserter Empfindlichkeit unter Verwendung der lösungsmittelbasierten Verdampfungsmethode zur Abstimmung der Porosität. Der Sensor besteht aus einer porösen Dielektrikumsschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), die mit oberen und unteren Elektroden aus elastischen leitfähigen Polymerkompositen (ECPCs) verbunden ist. Die Elektroden wurden hergestellt, indem mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) dotierte, leitfähige PDMS-Aufschlämmung in PDMS-Schichten mit Formmuster versehen wurde. Um die Porosität der dielektrischen Schicht für eine verbesserte Sensorleistung zu optimieren, wurde die PDMS-Lösung mit Toluol unterschiedlicher Massenanteile verdünnt, anstatt das Zuckerporenbildner (PFA) in verschiedene Größen zu filtern oder zu mahlen. Die Verdampfung des Toluol-Lösungsmittels ermöglichte die schnelle Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbaren Porositäten. Es konnte bestätigt werden, dass die Empfindlichkeit um das Zweifache gesteigert werden konnte, wenn das Toluol-PDMS-Verhältnis von 1:8 auf 1:1 erhöht wurde. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Forschung ermöglicht eine kostengünstige Methode zur Herstellung von voll integrierten bionischen Soft-Robotergreifern mit weichen sensorischen Mechanorezeptoren von einstellbaren Sensorparametern.
Introduction
In den letzten Jahren haben flexible Drucksensoren aufgrund ihrer unverzichtbaren Anwendung in der Softrobotik 1,2,3, den haptischen Schnittstellen “Mensch-Maschine” 4,5 und der Gesundheitsüberwachung 6,7,8 Aufmerksamkeit erregt. Im Allgemeinen umfassen die Mechanismen für die Druckmessung piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisch 2,6, kapazitiv 2,3,9,10,11,12,13 und triboelektrisch 8 Sensoren. Unter ihnen zeichnen sich kapazitive Drucksensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, niedrigen Nachweisgrenze (LOD) usw. als eine der vielversprechendsten Methoden in der taktilen Sensorik aus.
Um eine bessere Sensorleistung zu erzielen, wurden verschiedene Mikrostrukturen wie Mikropyramiden2, 9, 14, Mikrosäulen15 und Mikroporen 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17 in flexible kapazitive Drucksensoren eingeführt, und die Herstellungsmethoden wurden ebenfalls optimiert, um die Sensorik weiter zu verbessern Aufführungen solcher Strukturen. Die meisten dieser Strukturen erfordern jedoch ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen, was die Herstellungskosten und Betriebsschwierigkeiten erheblich erhöht. Mikropyramiden sind beispielsweise die am häufigsten verwendete Mikrostruktur in Weichdrucksensoren und basieren auf lithografisch definierten und nassgeätzten Si-Wafern als Formvorlage, was Präzisionsgeräte und eine strenge Reinraumumgebung erfordert 9,14. Daher haben Mikroporenstrukturen (poröse Strukturen), die durch einfache Herstellungsprozesse und mit kostengünstigen Rohstoffen unter Beibehaltung hoher Sensorleistungen hergestellt werden können,in letzter Zeit zunehmend Aufmerksamkeit erregt 9,10,11,12,13,16,17 . Dies wird, zusammen mit den Nachteilen einer Änderung der PFA und ihrer Menge, als Motivation für die Verwendung unserer Fraktionskontrollmethode diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine einfache und kostengünstige Methode vorgeschlagen, die auf der Lösungsmittel-Verdampfungstechnik basiert, um einen porösen, flexiblen kapazitiven Drucksensor mit kontrollierbarer Porosität herzustellen. Der komplette Herstellungsprozess umfasst die Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht, die Abstandsbeschichtung der Elektroden und die Verklebung von drei Funktionsschichten. Konkret wird in dieser Arbeit eine PDMS/Toluol-Mischlösung mit einem bestimmten Massenverhältnis verwendet, um die poröse dielektrische PDMS-Schicht auf der Grundlage des Zucker/Erythrit-Gemischs herzustellen. Währenddessen sorgt eine gleichmäßige PFA-Partikelgröße für eine gleichmäßige Porenmorphologie und -verteilung; So kann die Porosität durch Änderung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses gesteuert werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Drucksensors durch eine Erhöhung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses von 1:8 auf 1:1 um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Die Variation der Mikroporenwanddicke aufgrund unterschiedlicher PDMS/Toluol-Massenverhältnisse wird auch durch lichtmikroskopische Aufnahmen bestätigt. Der optimierte weich-kapazitive Drucksensor zeigt eine hohe Schaltleistung mit einer Empfindlichkeit und Reaktionszeit von 3,47 % kPa−1 bzw. 0,2 s. Mit diesem Verfahren wird die schnelle, kostengünstige und einfach zu bedienende Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbarer Porosität erreicht.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Arbeit wird eine einfache Methode vorgeschlagen, die auf der Verdampfung von Lösungsmitteln basiert, um die Porosität zu kontrollieren, und eine Reihe von experimentellen Ergebnissen hat ihre Machbarkeit bewiesen. Obwohl die poröse Struktur im flexiblen kapazitiven Drucksensor weit verbreitet ist, muss die Porositätskontrolle noch weiter optimiert werden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden zur Änderung der Partikelgröße des PFA 11,12,13,18,19 und des Verhältnisses von Polymersubstrat zu PFA <sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62273304 unterstützt.
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 |
References
- 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).
