שיפור רגישות של חיישני לחץ קיבולי רך באמצעות טכניקת בקרת נקבוביות מבוססת אידוי ממס
Summary
שיטת ייצור פשוטה וחסכונית המבוססת על טכניקת אידוי הממס מוצגת כדי לייעל את הביצועים של חיישן לחץ קיבולי רך, המתאפשר על ידי בקרת נקבוביות בשכבה הדיאלקטרית באמצעות יחסי מסה שונים של תמיסת PDMS/טולואן יציקה.
Abstract
חיישני לחץ רך ממלאים תפקיד משמעותי בפיתוח תחושת מישוש “אדם-מכונה” ברובוטיקה רכה ובממשקים הפטיים. באופן ספציפי, חיישנים קיבוליים עם מטריצות פולימריות מיקרו-מובנות נחקרו במאמץ ניכר בגלל רגישותם הגבוהה, טווח ליניאריות רחב וזמן תגובה מהיר. עם זאת, שיפור ביצועי החישה מסתמך לעתים קרובות על התכנון המבני של השכבה הדיאלקטרית, הדורש מתקני מיקרו-ייצור מתוחכמים. מאמר זה מדווח על שיטה פשוטה וזולה לייצור חיישני לחץ קיבולי נקבובי עם רגישות משופרת באמצעות שיטה מבוססת אידוי ממס לכוונון הנקבוביות. החיישן מורכב משכבה דיאלקטרית נקבובית של פולידימתילסילוקסאן (PDMS) המחוברת לאלקטרודות עליונות ותחתונות העשויות מפולימרים מרוכבים מוליכים אלסטיים (ECPCs). האלקטרודות הוכנו על ידי ננו-צינוריות פחמן (CNTs) מסוממות PDMS מסוממות לתוך יריעות PDMS בדוגמת עובש. כדי למטב את הנקבוביות של השכבה הדיאלקטרית לביצועי חישה משופרים, תמיסת PDMS נמהלה בטולואן של שברי מסה שונים במקום לסנן או לטחון את החומר יוצר נקבוביות הסוכר (PFA) לגדלים שונים. אידוי ממס הטולואן איפשר ייצור מהיר של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות ניתנות לשליטה. אושר כי ניתן לשפר את הרגישות פי שניים כאשר יחס טולואן ל-PDMS הוגדל מ-1:8 ל-1:1. המחקר המוצע בעבודה זו מאפשר שיטה זולה לייצור מאחזים רובוטיים רכים ביוניים משולבים במלואם עם קולטנים מכניים חושיים רכים של פרמטרים של חיישנים מתכווננים.
Introduction
בשנים האחרונות, חיישני לחץ גמישים מושכים תשומת לב בשל היישום החיוני שלהם ברובוטיקה רכה 1,2,3, ממשקים הפטיים “אדם-מכונה”4,5, וניטור בריאות 6,7,8. באופן כללי, מנגנוני חישת הלחץ כוללים פיאזו-התנגדות 1,4,7, פיאזואלקטרית 2,6, קיבולית 2,3,9,10,11,12,13 וטריבואלקטרית 8 חיישנים. ביניהם, חיישני לחץ קיבולי בולטים כאחת השיטות המבטיחות ביותר בחישה מישושית בשל רגישותם הגבוהה, גבול נמוך של גילוי (LOD) וכו ‘.
לביצועי חישה טובים יותר, מיקרו-מבנים שונים כגון מיקרו-פירמידות 2,9,14, מיקרו-עמודים 15 ומיקרו-נקבוביות 9,10,11,12,13,16,17 הוכנסו לחיישני לחץ קיבוליים גמישים, ושיטות הייצור עברו אופטימיזציה כדי לשפר עוד יותר את החישה הופעות של מבנים כאלה. עם זאת, רוב המבנים הללו דורשים מתקני מיקרו-פבריקציה מתוחכמים, מה שמגדיל משמעותית את עלויות הייצור ואת הקשיים התפעוליים. לדוגמה, כמיקרו-מבנה הנפוץ ביותר בחיישני לחץ רך, מיקרו-פירמידות מסתמכות על פרוסות Si המוגדרות ליטוגרפית וחרוטות רטובות כתבנית היציקה, הדורשת ציוד מדויק וסביבת חדר נקי קפדנית 9,14. לכן, מבנים מיקרו-נקבוביים (מבנים נקבוביים) שניתן לייצר בתהליכי ייצור פשוטים ובחומרי גלם זולים תוך שמירה על ביצועי חישה גבוהים משכו לאחרונה תשומת לב גוברת 9,10,11,12,13,16,17 . זה יידון, לצד החסרונות של שינוי PFA וכמותו, כמוטיבציה לשימוש בשיטת בקרת השברים שלנו.
כאן, עבודה זו מציעה שיטה פשוטה וזולה המבוססת על טכניקת אידוי ממס לייצור חיישן לחץ קיבולי גמיש נקבובי עם נקבוביות ניתנת לשליטה. תהליך הייצור המלא כולל ייצור של השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית, ציפוי הגירוד של האלקטרודות והדבקה של שלוש שכבות פונקציונליות. באופן ספציפי, עבודה זו משתמשת באופן חדשני בתמיסה מעורבת PDMS/טולואן עם יחס מסה מסוים כדי לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית המבוססת על תבנית תערובת סוכר/אריתריטול. בינתיים, גודל חלקיקי PFA אחיד מבטיח מורפולוגיה ופיזור אחידים של הנקבוביות; לפיכך, ניתן לשלוט בנקבוביות על ידי שינוי יחס המסה PDMS/טולואן. תוצאות הניסוי מראות כי ניתן לשפר את רגישות חיישן הלחץ המוצע יותר מפי שניים על ידי הגדלת יחס המסה PDMS/טולואן מ-1:8 ל-1:1. השונות בעובי דופן המיקרו-נקבוביות עקב יחסי מסה שונים של PDMS/טולואן מאושרת גם על ידי תמונות מיקרוסקופ אופטי. חיישן הלחץ הקיבולי הרך הממוטב מציג ביצועי חישה גבוהים עם רגישות וזמן תגובה של 3.47% kPa−1 ו- 0.2 שניות, בהתאמה. שיטה זו משיגה ייצור מהיר, זול וקל לתפעול של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות נשלטת.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מציעה שיטה פשוטה המבוססת על אידוי ממס כדי לשלוט על הנקבוביות, וסדרה של תוצאות ניסוי הוכיחו את היתכנותה. למרות שהמבנה הנקבובי נמצא בשימוש נרחב בחיישן הלחץ הקיבולי הגמיש, בקרת הנקבוביות עדיין זקוקה לאופטימיזציה נוספת. בניגוד לשיטות הקיימות לשינוי גודל החלקיקים של PFA 11,12,13,18,19 והיחס ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 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 |
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).
