Solvent buharlaştırma bazlı gözeneklilik kontrol tekniği kullanılarak yumuşak kapasitif basınç sensörlerinin hassasiyet artırılması
Summary
Kalıplama PDMS/toluen çözeltisinin farklı kütle oranları kullanılarak dielektrik tabakadaki gözeneklilik kontrolü ile etkinleştirilen yumuşak kapasitif basınç sensörünün performansını optimize etmek için solvent evaporasyon tekniğine dayanan basit ve uygun maliyetli bir imalat yöntemi sunulmaktadır.
Abstract
Yumuşak basınç sensörleri, yumuşak robotik ve dokunsal arayüzlerde “insan-makine” dokunsal hissinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle, mikro yapılı polimer matrislere sahip kapasitif sensörler, yüksek hassasiyetleri, geniş doğrusallık aralıkları ve hızlı tepki süreleri nedeniyle büyük çaba sarf ederek araştırılmıştır. Bununla birlikte, algılama performansının iyileştirilmesi genellikle sofistike mikrofabrikasyon tesisleri gerektiren dielektrik tabakanın yapısal tasarımına dayanır. Bu makalede, gözenekliliği ayarlamak için solvent buharlaştırma bazlı yöntemi kullanarak gelişmiş hassasiyete sahip gözenekli kapasitif basınç sensörleri üretmek için basit ve düşük maliyetli bir yöntem bildirilmektedir. Sensör, elastik iletken polimer kompozitlerden (ECPC’ler) yapılmış üst ve alt elektrotlarla bağlanmış gözenekli bir polidimetilsiloksan (PDMS) dielektrik tabakadan oluşur. Elektrotlar, kalıp desenli PDMS filmlere kazıma kaplamalı karbon nanotüpler (CNT’ler) katkılı PDMS iletken bulamaç ile hazırlandı. Gelişmiş algılama performansı için dielektrik tabakanın gözenekliliğini optimize etmek için, PDMS çözeltisi, şeker gözenek oluşturucu maddeyi (PFA) farklı boyutlarda filtrelemek veya öğütmek yerine, farklı kütle fraksiyonlarının tolueniyle seyreltildi. Toluen çözücünün buharlaşması, kontrol edilebilir gözenekliliklere sahip gözenekli bir dielektrik tabakanın hızlı bir şekilde üretilmesini sağlamıştır. Toluen-PDMS oranı 1:8’den 1:1’e yükseltildiğinde duyarlılığın iki kat daha artırılabileceği doğrulandı. Bu çalışmada önerilen araştırma, ayarlanabilir sensör parametrelerinin yumuşak duyusal mekanoreseptörleri ile tam entegre biyonik yumuşak robotik tutucuların üretilmesi için düşük maliyetli bir yöntem sunmaktadır.
Introduction
Son yıllarda, esnek basınç sensörleri, yumuşak robotik 1,2,3, “insan-makine” dokunsal arayüzleri4,5 ve sağlık izleme 6,7,8’deki vazgeçilmez uygulamaları nedeniyle dikkat çekmektedir. Genel olarak, basınç algılama mekanizmaları piezorezistif 1,4,7, piezoelektrik 2,6, kapasitif 2,3,9,10,11,12,13 ve triboelektrik 8’i içerir Sensör. Bunlar arasında, kapasitif basınç sensörleri, yüksek hassasiyetleri, düşük algılama limitleri (LOD) vb. nedeniyle dokunsal algılamada en umut verici yöntemlerden biri olarak öne çıkmaktadır.
Daha iyi algılama performansı için, esnek kapasitif basınç sensörlerine mikro piramitler 2,9,14, mikro sütunlar15 ve mikro gözenekler9,10,11,12,13,16,17 gibi çeşitlimikro yapılar tanıtılmış ve algılamayı daha da iyileştirmek için üretim yöntemleri de optimize edilmiştir bu tür yapıların performansları. Bununla birlikte, bu yapıların çoğu, üretim maliyetlerini ve operasyonel zorlukları önemli ölçüde artıran sofistike mikrofabrikasyon tesisleri gerektirir. Örneğin, yumuşak basınç sensörlerinde en yaygın kullanılan mikroyapı olarak, mikro piramitler, hassas ekipman ve sıkı bir temiz oda ortamı gerektiren kalıplama şablonu olarak litografik olarak tanımlanmış ve ıslak kazınmış Si gofretlerine dayanır 9,14. Bu nedenle, yüksek algılama performanslarını korurken basit imalat süreçleri ve düşük maliyetli hammaddelerle yapılabilen mikro gözenekli yapılar (gözenekli yapılar) son zamanlarda giderek artan bir şekilde dikkat çekmektedir 9,10,11,12,13,16,17 . Bu, PFA’yı ve miktarını değiştirmenin dezavantajlarının yanı sıra, fraksiyon kontrol yöntemimizi kullanma motivasyonu olarak tartışılacaktır.
Burada, bu çalışma, kontrol edilebilir gözenekliliğe sahip gözenekli esnek bir kapasitif basınç sensörü üretmek için çözücü-buharlaştırma tekniğine dayanan basit ve düşük maliyetli bir yöntem önermektedir. Tüm üretim süreci, gözenekli PDMS dielektrik tabakasının imalatını, elektrotların kazıma kaplamasını ve üç fonksiyonel katmanın bağlanmasını içerir. Spesifik olarak, bu çalışma, şeker / eritritol karışım şablonuna dayanan gözenekli PDMS dielektrik tabakasını üretmek için yenilikçi bir şekilde belirli bir kütle oranına sahip bir PDMS / toluen karışım çözeltisi kullanır. Bu arada, homojen bir PFA parçacık boyutu, düzgün gözenek morfolojisi ve dağılımı sağlar; Böylece, PDMS / toluen kütle oranı değiştirilerek gözeneklilik kontrol edilebilir. Deneysel sonuçlar, önerilen basınç sensörünün hassasiyetinin, PDMS/toluen kütle oranını 1:8’den 1:1’e çıkararak iki kattan fazla artırılabileceğini göstermektedir. Farklı PDMS/toluen kütle oranları nedeniyle mikropor duvar kalınlığındaki değişim, optik mikroskop görüntüleri ile de doğrulanır. Optimize edilmiş yumuşak kapasitif basınç sensörü, sırasıyla %3,47 kPa−1 ve 0,2 sn hassasiyet ve tepki süresi ile yüksek algılama performansı gösterir. Bu yöntem, kontrol edilebilir gözenekliliğe sahip gözenekli bir dielektrik tabakanın hızlı, düşük maliyetli ve kolay kullanımlı imalatını sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, gözenekliliği kontrol etmek için çözücü buharlaşmasına dayanan basit bir yöntem önermektedir ve bir dizi deneysel sonuç uygulanabilirliğini kanıtlamıştır. Gözenekli yapı esnek kapasitif basınç sensöründe yaygın olarak kullanılmasına rağmen, gözeneklilik kontrolünün hala daha fazla optimizasyona ihtiyacı vardır. PFA 11,12,13,18,19’un partikül boyutunu ve polimer substratın PFA 17,20’ye…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Grant 62273304 altındaki Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
