溶媒蒸発に基づく気孔率制御技術を用いたソフト静電容量式圧力センサの感度向上

近年、フレキシブル圧力センサは、ソフトロボティクス^1,2,3、「マンマシン」触覚インターフェース^4,5、およびヘルスモニタリング^6,7,8に不可欠なアプリケーションとして注目されています。一般に、圧力検出のメカニズムには、ピエゾ抵抗1,4,7、圧電^2,6、容量性2,3,9,10,11,12,13、および摩擦電気⁸が含まれます。センサー。その中で、静電容量式圧力センサーは、感度が高く、検出限界が低い(LOD)などにより、触覚センシングの最も有望な方法の1つとして際立っています。

センシング性能を向上させるために、マイクロピラミッド2,9,14、マイクロピ^ラー15、マイクロポア^{9,10,11,12,13,16,17}などのさまざまな微細構造を柔軟な静電容量式圧力センサに導入し、製造方法も最適化してセンシングをさらに向上させました。そのような構造のパフォーマンス。ただし、これらの構造のほとんどは高度な微細加工設備を必要とするため、製造コストと運用上の困難が大幅に増加します。たとえば、軟圧センサーで最も一般的に使用される微細構造として、マイクロピラミッドは、成形テンプレートとしてリソグラフィーで定義されウェットエッチングされたSiウェーハに依存しており、精密機器と厳格なクリーンルーム環境が必要です^9,14。そのため、高いセンシング性能を維持しながら、簡便な加工工程で低コストの原料で作製できるミクロポア構造(多孔質構造)が近年注目されています9,10,11,12,13,16,17 .これについては,PFAとその量を変更することのデメリットとともに,フラクションコントロール法を使用する動機として議論する。

本研究では、溶媒蒸発技術に基づく簡便かつ低コストな方法を提案し、制御可能な気孔率を有する多孔質可沓性静電容量式圧力センサを作製する。完全な製造プロセスには、多孔質PDMS誘電体層の製造、電極のスクレイプコーティング、および3つの機能層の接着が含まれます。具体的には、この研究では、特定の質量比のPDMS/トルエン混合溶液を使用して、糖/エリスリトール混合物テンプレートに基づいて多孔質PDMS誘電体層を作製します。一方、均一なPFA粒子サイズは、均一な細孔形態と分布を保証します。したがって、気孔率は、PDMS/トルエンの質量比を変更することによって制御することができる。実験結果は、PDMS/トルエンの質量比を1:8から1:1に増やすことにより、提案する圧力センサの感度を2倍以上に高めることができることを示しています。PDMS/トルエンの質量比の違いによるミクロ細孔壁厚の変化は、光学顕微鏡画像でも確認されています。最適化されたソフト静電容量式圧力センサは、感度と応答時間がそれぞれ3.47%kPa⁻¹ と0.2秒の高い検出性能を示します。この手法により、空隙率を制御可能な多孔質誘電体層の高速・低コスト・簡便な作製を実現します。