용매 증발 기반 다공성 제어 기술을 사용한 Soft Capacitive Pressure Sensor의 감도 향상
Özet
용매 증발 기술을 기반으로 하는 간단하고 비용 효율적인 제조 방법이 제시되어 성형 PDMS/톨루엔 용액의 다양한 질량비를 사용하여 유전층의 다공성 제어로 구현되는 소프트 용량성 압력 센서의 성능을 최적화합니다.
Abstract
소프트 압력 센서는 소프트 로봇 및 햅틱 인터페이스에서 “인간-기계” 촉각을 개발하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 미세 구조 폴리머 매트릭스가 있는 정전식 센서는 높은 감도, 넓은 선형성 범위 및 빠른 응답 시간으로 인해 상당한 노력을 기울여 연구되었습니다. 그러나 감지 성능의 향상은 종종 정교한 미세 가공 시설이 필요한 유전체층의 구조 설계에 의존합니다. 이 기사에서는 다공성을 조정하기 위해 용매 증발 기반 방법을 사용하여 감도가 향상된 다공성 정전 용량 압력 센서를 제조하는 간단하고 저렴한 방법을 보고합니다. 이 센서는 탄성 전도성 고분자 복합재(ECPC)로 만들어진 상단 및 하단 전극과 결합된 다공성 폴리디메틸실록산(PDMS) 유전체층으로 구성됩니다. 전극은 탄소 나노튜브(CNT)가 도핑된 PDMS 전도성 슬러리를 몰드 패턴의 PDMS 필름에 긁어 코팅하여 제조되었습니다. 향상된 감지 성능을 위해 유전체층의 다공성을 최적화하기 위해 PDMS 용액을 당 공극 형성제(PFA)를 다양한 크기로 여과하거나 분쇄하는 대신 다양한 질량 분율의 톨루엔으로 희석했습니다. 톨루엔 용매의 증발은 제어 가능한 다공성을 갖는 다공성 유전체층의 빠른 제조를 가능하게 하였다. 톨루엔 대 PDMS 비율을 1:8에서 1:1로 증가시켰을 때 감도가 2배 더 향상될 수 있음을 확인했습니다. 이 연구에서 제안된 연구는 조정 가능한 센서 매개변수의 소프트 감각 기계 수용체를 사용하여 완전히 통합된 생체 공학 소프트 로봇 그리퍼를 제조하는 저비용 방법을 가능하게 합니다.
Introduction
최근 몇 년 동안, 유연한 압력 센서는 소프트 로봇공학 1,2,3, “인간-기계”햅틱 인터페이스 (4,5) 및 건강 모니터링(6,7,8)에 없어서는 안될 응용 프로그램으로 인해 주목을 받고 있습니다. 일반적으로, 압력 감지를 위한 메커니즘은 압전 저항 1,4,7, 압전 2,6, 용량 성 2,3,9,10,11,12,13 및 마찰 전기 8을 포함한다 센서. 그 중 정전식 압력 센서는 높은 감도, 낮은 감지 한계(LOD) 등으로 인해 촉각 감지에서 가장 유망한 방법 중 하나로 두드러집니다.
더 나은 감지 성능을 위해 미세 피라미드 2,9,14, 마이크로 필러15 및 마이크로 기공9,10,11,12,13,16,17과 같은 다양한 미세 구조가 유연한 용량 성 압력 센서에 도입되었으며 제조 방법도 최적화되어 감지를 더욱 향상시킵니다 그러한 구조의 공연. 그러나 이러한 구조의 대부분은 정교한 미세 가공 시설을 필요로 하므로 제조 비용과 운영상의 어려움이 크게 증가합니다. 예를 들어, 연질 압력 센서에서 가장 일반적으로 사용되는 미세 구조인 미세 피라미드는 정밀 장비와 엄격한 클린룸 환경을 필요로 하는 성형 템플릿으로 리소그래피로 정의되고 습식 에칭된 Si 웨이퍼에 의존합니다 9,14. 따라서, 높은 센싱 성능을 유지하면서 저가의 원료로 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있는 미세 기공 구조(porous structures)가 최근 주목을 받고 있다(9,10,11,12,13,16,17 . 이것은 PFA 및 그 양을 변경하는 단점과 함께 분획 제어 방법을 사용하는 동기로 논의될 것입니다.
본 발명에서는 다공성을 조절할 수 있는 다공성 플렉시블 용량성 압력 센서를 제작하기 위해 용매 증발 기술을 기반으로 간단하고 저렴한 방법을 제안한다. 전체 제조 공정에는 다공성 PDMS 유전체층의 제조, 전극의 스크랩 코팅 및 3개의 기능성 층의 접합이 포함됩니다. 구체적으로, 이 작업은 특정 질량비의 PDMS/톨루엔 혼합 용액을 혁신적으로 사용하여 설탕/에리스리톨 혼합 템플릿을 기반으로 다공성 PDMS 유전층을 제작합니다. 한편, 균일한 PFA 입자 크기는 균일한 기공 형태 및 분포를 보장합니다. 따라서, 다공성은 PDMS/톨루엔 질량비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 실험 결과는 PDMS/톨루엔 질량비를 1:8에서 1:1로 증가시킴으로써 제안된 압력 센서의 감도를 2배 이상 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. PDMS/톨루엔 질량 비율의 차이로 인한 미세 기공 벽 두께의 변화도 광학 현미경 이미지로 확인됩니다. 최적화된 소프트 정전식 압력 센서는 각각 3.47% kPa-1 및 0.2s의 감도와 응답 시간으로 높은 감지 성능을 보여줍니다. 이 방법은 제어 가능한 다공성을 가진 다공성 유전체층의 빠르고 저렴하며 조작하기 쉬운 제조를 달성합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 다공성을 제어하기 위해 용매 증발을 기반으로 한 간단한 방법을 제안하고 일련의 실험 결과가 그 타당성을 입증했습니다. 다공성 구조가 유연한 용량성 압력 센서에 널리 사용되었지만 다공성 제어는 여전히 추가 최적화가 필요합니다. PFA 11,12,13,18,19의 입자 크기 및 PFA <…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 그랜트 62273304 (Grant )의 중국 국립 자연 과학 재단 (National Natural Science Foundation of China)의 지원을 받았다.
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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