Følsomhetsforbedring av myke kapasitive trykksensorer ved hjelp av en løsningsmiddelfordampningsbasert porøsitetskontrollteknikk
Summary
En enkel og kostnadseffektiv fabrikasjonsmetode basert på løsningsmiddelfordampningsteknikken presenteres for å optimalisere ytelsen til en myk kapasitiv trykksensor, som er aktivert ved porøsitetskontroll i det dielektriske laget ved bruk av forskjellige masseforhold mellom støping av PDMS / toluenløsning.
Abstract
Myke trykksensorer spiller en viktig rolle i utviklingen av “menneske-maskin” taktil følelse i myk robotikk og haptiske grensesnitt. Spesielt har kapasitive sensorer med mikrostrukturerte polymermatriser blitt utforsket med betydelig innsats på grunn av deres høye følsomhet, brede linearitetsområde og raske responstid. Imidlertid er forbedringen av sensorytelsen ofte avhengig av den strukturelle utformingen av det dielektriske laget, noe som krever sofistikerte mikrofabrikasjonsanlegg. Denne artikkelen rapporterer en enkel og rimelig metode for å fremstille porøse kapasitive trykksensorer med forbedret følsomhet ved hjelp av løsningsmiddelfordampningsbasert metode for å justere porøsiteten. Sensoren består av et dielektrisk lag av porøs polydimetylsiloksan (PDMS) bundet med topp- og bunnelektroder laget av elastiske ledende polymerkompositter (ECPC). Elektrodene ble fremstilt av skrapebeleggende karbonnanorør (CNT) -dopede PDMS-ledende oppslemming til muggmønstrede PDMS-filmer. For å optimalisere porøsiteten til det dielektriske laget for forbedret sensorytelse, ble PDMS-løsningen fortynnet med toluen av forskjellige massefraksjoner i stedet for å filtrere eller male sukkerporedannende middel (PFA) i forskjellige størrelser. Fordampningen av toluenløsningsmidlet tillot rask fremstilling av et porøst dielektrisk lag med kontrollerbare porøsiteter. Det ble bekreftet at sensitiviteten kunne forbedres mer to ganger når forholdet mellom toluen og PDMS ble økt fra 1:8 til 1:1. Forskningen foreslått i dette arbeidet muliggjør en billig metode for å fremstille fullt integrerte bioniske myke robotgripere med myke sensoriske mekanoreceptorer av justerbare sensorparametere.
Introduction
De siste årene har fleksible trykksensorer trukket oppmerksomhet på grunn av deres uunnværlige anvendelse i myk robotikk 1,2,3, “menneske-maskin” haptiske grensesnitt4,5 og helseovervåking 6,7,8. Generelt inkluderer mekanismene for trykkføling piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapasitiv 2,3,9,10,11,12,13 og triboelektrisk 8 Sensorer. Blant dem skiller kapasitive trykksensorer seg ut som en av de mest lovende metodene innen taktil sensing på grunn av deres høye følsomhet, lave deteksjonsgrense (LOD), etc.
For bedre sensorytelse har forskjellige mikrostrukturer som mikropyramider 2,9,14, mikrostolper 15 og mikroporer9,10,11,12,13,16,17 blitt introdusert til fleksible kapasitive trykksensorer, og fabrikasjonsmetodene er også optimalisert for å forbedre sensoren ytterligere forestillinger av slike strukturer. Imidlertid krever de fleste av disse strukturene sofistikerte mikrofabrikasjonsanlegg, noe som øker produksjonskostnadene og driftsvanskene betydelig. For eksempel, som den mest brukte mikrostrukturen i myke trykksensorer, er mikropyramider avhengige av litografisk definerte og våtetsede Si-wafere som støpemal, noe som krever presisjonsutstyr og et strengt renromsmiljø 9,14. Derfor har mikroporestrukturer (porøse strukturer) som kan lages ved enkle fabrikasjonsprosesser og med rimelige råvarer samtidig som høye sensoregenskaper opprettholdes, fått økende oppmerksomhet nylig 9,10,11,12,13,16,17 . Dette vil bli diskutert, sammen med ulempene ved å endre PFA og mengden, som motivasjon for å bruke vår fraksjonskontrollmetode.
Her foreslår dette arbeidet en enkel og rimelig metode basert på løsningsmiddel-fordampningsteknikken for å fremstille en porøs fleksibel kapasitiv trykksensor med kontrollerbar porøsitet. Den komplette produksjonsprosessen inkluderer fremstilling av det porøse PDMS dielektriske laget, skrapebelegget av elektrodene og binding av tre funksjonelle lag. Spesielt bruker dette arbeidet innovativt en PDMS / toluen blandet løsning med et visst masseforhold for å fremstille det porøse PDMS dielektriske laget basert på sukker / erytritolblandingsmalen. I mellomtiden sikrer en jevn PFA-partikkelstørrelse ensartet poremorfologi og fordeling; Dermed kan porøsiteten kontrolleres ved å endre PDMS / toluenmasseforholdet. De eksperimentelle resultatene viser at følsomheten til den foreslåtte trykksensoren kan forbedres mer enn to ganger ved å øke PDMS / toluenmasseforholdet fra 1: 8 til 1: 1. Variasjonen i mikroporeveggtykkelsen på grunn av forskjellige PDMS / toluenmasseforhold bekreftes også av optiske mikroskopbilder. Den optimaliserte myke kapasitive trykksensoren viser en høy sensorytelse med en følsomhet og responstid på henholdsvis 3,47% kPa-1 og 0,2 s. Denne metoden oppnår rask, billig og enkel betjening av et porøst dielektrisk lag med kontrollerbar porøsitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette arbeidet foreslår en enkel metode basert på løsningsmiddelfordampning for å kontrollere porøsiteten, og en rekke eksperimentelle resultater har vist at det er mulig. Selv om den porøse strukturen har blitt mye brukt i den fleksible kapasitive trykksensoren, trenger porøsitetskontrollen fortsatt ytterligere optimalisering. I motsetning til eksisterende metoder for å endre partikkelstørrelsen til PFA 11,12,13,18,19 og forholdet mellom polymersubstrat og PFA <su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China under 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 |
Riferimenti
- 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).
