Mejora de la sensibilidad de los sensores de presión capacitivos blandos mediante una técnica de control de porosidad basada en la evaporación de disolventes
Summary
Se presenta un método de fabricación simple y rentable basado en la técnica de evaporación de solvente para optimizar el rendimiento de un sensor de presión capacitiva suave, que está habilitado por el control de porosidad en la capa dieléctrica utilizando diferentes relaciones de masa de la solución de moldeo PDMS / tolueno.
Abstract
Los sensores de presión suave juegan un papel importante en el desarrollo de la sensación táctil “hombre-máquina” en robótica blanda e interfaces hápticas. Específicamente, los sensores capacitivos con matrices de polímeros microestructurados se han explorado con considerable esfuerzo debido a su alta sensibilidad, amplio rango de linealidad y rápido tiempo de respuesta. Sin embargo, la mejora del rendimiento de detección a menudo se basa en el diseño estructural de la capa dieléctrica, que requiere sofisticadas instalaciones de microfabricación. Este artículo informa sobre un método simple y de bajo costo para fabricar sensores de presión capacitiva porosa con sensibilidad mejorada utilizando el método basado en evaporación de solventes para ajustar la porosidad. El sensor consiste en una capa dieléctrica de polidimetilsiloxano poroso (PDMS) unida con electrodos superiores e inferiores hechos de compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC). Los electrodos se prepararon mediante una suspensión conductora de PDMS dopada con nanotubos de carbono (CNT) con recubrimiento de raspado en películas PDMS con patrones de molde. Para optimizar la porosidad de la capa dieléctrica para mejorar el rendimiento de detección, la solución PDMS se diluyó con tolueno de diferentes fracciones de masa en lugar de filtrar o moler el agente formador de poros de azúcar (PFA) en diferentes tamaños. La evaporación del disolvente de tolueno permitió la fabricación rápida de una capa dieléctrica porosa con porosidades controlables. Se confirmó que la sensibilidad podría mejorarse más dos veces cuando la relación tolueno / PDMS se incrementó de 1: 8 a 1: 1. La investigación propuesta en este trabajo permite un método de bajo costo para fabricar pinzas robóticas blandas biónicas totalmente integradas con mecanorreceptores sensoriales suaves de parámetros de sensores sintonizables.
Introduction
En los últimos años, los sensores de presión flexibles han llamado la atención debido a su aplicación indispensable en robótica blanda 1,2,3, interfaces hápticas “hombre-máquina” 4,5 y monitoreo de salud 6,7,8. En general, los mecanismos para la detección de presión incluyen piezorresistivo 1,4,7, piezoeléctrico 2,6, capacitivo 2,3,9,10,11,12,13 y triboeléctrico 8 sensores. Entre ellos, los sensores de presión capacitivos destacan como uno de los métodos más prometedores en detección táctil debido a su alta sensibilidad, bajo límite de detección (LOD), etc.
Para un mejor rendimiento de detección, se han introducido varias microestructuras como micropirámides 2,9,14, micropilares 15 y microporos9,10,11,12,13,16,17 a sensores de presión capacitivos flexibles, y los métodos de fabricación también se han optimizado para mejorar aún más la detección. prestaciones de tales estructuras. Sin embargo, la mayoría de estas estructuras requieren sofisticadas instalaciones de microfabricación, lo que aumenta significativamente los costos de fabricación y las dificultades operativas. Por ejemplo, como la microestructura más utilizada en sensores de presión blanda, las micropirámides se basan en obleas de Si litográficamente definidas y grabadas en húmedo como plantilla de moldeo, lo que requiere equipos de precisión y un estricto ambiente de sala limpia 9,14. Por lo tanto, las estructuras de microporos (estructuras porosas) que se pueden hacer mediante procesos de fabricación simples y con materias primas de bajo costo mientras se mantienen altos rendimientos de detección han atraído cada vez más atención recientemente 9,10,11,12,13,16,17 . Esto se discutirá, junto con las desventajas de cambiar el PFA y su cantidad, como la motivación para usar nuestro método de control de fracciones.
Aquí, este trabajo propone un método simple y de bajo costo basado en la técnica de evaporación de solventes para fabricar un sensor de presión capacitiva flexible poroso con porosidad controlable. El proceso de fabricación completo incluye la fabricación de la capa dieléctrica PDMS porosa, el recubrimiento de raspado de los electrodos y la unión de tres capas funcionales. Específicamente, este trabajo utiliza de manera innovadora una solución mixta PDMS / tolueno con una cierta relación de masa para fabricar la capa dieléctrica PDMS porosa basada en la plantilla de mezcla de azúcar / eritritol. Mientras tanto, un tamaño de partícula PFA uniforme garantiza una morfología y distribución de poros uniformes; por lo tanto, la porosidad se puede controlar cambiando la relación de masa PDMS/tolueno. Los resultados experimentales muestran que la sensibilidad del sensor de presión propuesto se puede mejorar más del doble aumentando la relación masa PDMS/tolueno de 1:8 a 1:1. La variación en el espesor de la pared del microporo debido a las diferentes relaciones de masa PDMS / tolueno también se confirma mediante imágenes de microscopio óptico. El sensor de presión capacitiva suave optimizado muestra un alto rendimiento de detección con una sensibilidad y un tiempo de respuesta de 3,47% kPa−1 y 0,2 s, respectivamente. Este método logra la fabricación rápida, de bajo costo y fácil operación de una capa dieléctrica porosa con porosidad controlable.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabajo propone un método sencillo basado en la evaporación de disolventes para controlar la porosidad, y una serie de resultados experimentales han demostrado su viabilidad. Aunque la estructura porosa se ha utilizado ampliamente en el sensor de presión capacitivo flexible, el control de porosidad aún necesita una mayor optimización. A diferencia de los métodos existentes para cambiar el tamaño de partícula del PFA 11,12,13,18,19 y la proporción de sustrato polimérico a PFA <sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo la subvención 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 |
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