Gevoeligheidsverbetering van zachte capacitieve druksensoren met behulp van een op oplosmiddelverdamping gebaseerde porositeitscontroletechniek
Summary
Een eenvoudige en kostenefficiënte fabricagemethode op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek wordt gepresenteerd om de prestaties van een zachte capacitieve druksensor te optimaliseren, die mogelijk wordt gemaakt door porositeitsregeling in de diëlektrische laag met behulp van verschillende massaverhoudingen van de giet-PDMS / tolueenoplossing.
Abstract
Zachte druksensoren spelen een belangrijke rol bij het ontwikkelen van “mens-machine” tactiele sensatie in zachte robotica en haptische interfaces. Met name capacitieve sensoren met microgestructureerde polymeermatrices zijn met aanzienlijke inspanning onderzocht vanwege hun hoge gevoeligheid, brede lineariteitsbereik en snelle responstijd. De verbetering van de detectieprestaties is echter vaak afhankelijk van het structurele ontwerp van de diëlektrische laag, waarvoor geavanceerde microfabricagefaciliteiten nodig zijn. Dit artikel beschrijft een eenvoudige en goedkope methode om poreuze capacitieve druksensoren met verbeterde gevoeligheid te fabriceren met behulp van de op oplosmiddelverdamping gebaseerde methode om de porositeit af te stemmen. De sensor bestaat uit een poreus polydimethylsiloxaan (PDMS) diëlektrische laag gebonden met boven- en onderelektroden gemaakt van elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC’s). De elektroden werden voorbereid door koolstofnanobuisjes (CNT’s) te schrapen en PDMS-geleidende slurry te gedopeerd in PDMS-films met schimmelpatroon. Om de porositeit van de diëlektrische laag te optimaliseren voor verbeterde detectieprestaties, werd de PDMS-oplossing verdund met tolueen van verschillende massafracties in plaats van het suikerporiënvormende middel (PFA) in verschillende maten te filteren of te malen. De verdamping van het tolueenoplosmiddel maakte de snelle fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeiten mogelijk. Er werd bevestigd dat de gevoeligheid tweevoudig kon worden verbeterd wanneer de tolueen-PDMS-verhouding werd verhoogd van 1:8 naar 1:1. Het onderzoek dat in dit werk wordt voorgesteld, maakt een goedkope methode mogelijk voor het fabriceren van volledig geïntegreerde bionische zachte robotgrijpers met zachte sensorische mechanoreceptoren van afstembare sensorparameters.
Introduction
In de afgelopen jaren hebben flexibele druksensoren de aandacht getrokken vanwege hun onmisbare toepassing in zachte robotica 1,2,3, “mens-machine” haptische interfaces4,5 en gezondheidsmonitoring 6,7,8. Over het algemeen omvatten de mechanismen voor drukdetectie piëzoresistief 1,4,7, piëzo-elektrisch 2,6, capacitief 2,3,9,10,11,12,13 en tribo-elektrisch 8 Sensoren. Onder hen vallen capacitieve druksensoren op als een van de meest veelbelovende methoden in tactiele detectie vanwege hun hoge gevoeligheid, lage detectiegrens (LOD), enz.
Voor betere detectieprestaties zijn verschillende microstructuren zoals micropiramides 2,9,14, micropijlers 15 en microporiën9,10,11,12,13,16,17 geïntroduceerd in flexibele capacitieve druksensoren, en de fabricagemethoden zijn ook geoptimaliseerd om de detectie verder te verbeteren uitvoeringen van dergelijke structuren. De meeste van deze structuren vereisen echter geavanceerde microfabricagefaciliteiten, wat de productiekosten en operationele problemen aanzienlijk verhoogt. Als de meest gebruikte microstructuur in zachte druksensoren vertrouwen micropiramides bijvoorbeeld op lithografisch gedefinieerde en nat geëtste Si-wafers als de vormsjabloon, die precisieapparatuur en een strikte cleanroomomgeving vereist 9,14. Daarom hebben microporiënstructuren (poreuze structuren) die kunnen worden gemaakt door eenvoudige fabricageprocessen en met goedkope grondstoffen met behoud van hoge detectieprestaties, onlangs steeds meer aandacht getrokken 9,10,11,12,13,16,17 . Dit zal worden besproken, naast de nadelen van het veranderen van de PFA en de hoeveelheid ervan, als de motivatie voor het gebruik van onze fractiecontrolemethode.
Hierin stelt dit werk een eenvoudige en goedkope methode voor op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek om een poreuze flexibele capacitieve druksensor met controleerbare porositeit te fabriceren. Het volledige productieproces omvat de fabricage van de poreuze PDMS-diëlektrische laag, de schraaplaag van de elektroden en de verlijming van drie functionele lagen. In het bijzonder maakt dit werk op innovatieve wijze gebruik van een PDMS / tolueen gemengde oplossing met een bepaalde massaverhouding om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te fabriceren op basis van het suiker / erythritol-mengselsjabloon. Ondertussen zorgt een uniforme PFA-deeltjesgrootte voor een uniforme poriemorfologie en -verdeling; de porositeit kan dus worden geregeld door de PDMS/tolueenmassaverhouding te wijzigen. De experimentele resultaten tonen aan dat de gevoeligheid van de voorgestelde druksensor meer dan tweevoudig kan worden verbeterd door de PDMS / tolueen-massaverhouding te verhogen van 1: 8 naar 1: 1. De variatie in de wanddikte van de microporiën als gevolg van verschillende PDMS/tolueen massaverhoudingen wordt ook bevestigd door optische microscoopbeelden. De geoptimaliseerde zachte capacitieve druksensor toont hoge detectieprestaties met een gevoeligheid en responstijd van respectievelijk 3,47% kPa−1 en 0,2 s. Deze methode bereikt de snelle, goedkope en eenvoudig te bedienen fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeit.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk stelt een eenvoudige methode voor op basis van oplosmiddelverdamping om de porositeit te regelen, en een reeks experimentele resultaten hebben de haalbaarheid ervan bewezen. Hoewel de poreuze structuur veel is gebruikt in de flexibele capacitieve druksensor, moet de porositeitsregeling nog verder worden geoptimaliseerd. In tegenstelling tot bestaande methoden voor het wijzigen van de deeltjesgrootte van de PFA 11,12,13,18,19 en de verhouding van polymeersubstraat tot PFA <sup class="xref"…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 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).
