Aumento da sensibilidade de sensores de pressão capacitivos macios usando uma técnica de controle de porosidade baseada em evaporação de solvente
Summary
Um método de fabricação simples e econômico baseado na técnica de evaporação de solvente é apresentado para otimizar o desempenho de um sensor de pressão capacitivo macio, que é possibilitado pelo controle de porosidade na camada dielétrica usando diferentes razões de massa da solução de moldagem PDMS/tolueno.
Abstract
Os sensores de pressão suave desempenham um papel significativo no desenvolvimento da sensação tátil “homem-máquina” em robótica suave e interfaces hápticas. Especificamente, sensores capacitivos com matrizes poliméricas micro-estruturadas têm sido explorados com considerável esforço devido à sua alta sensibilidade, ampla faixa de linearidade e rápido tempo de resposta. No entanto, a melhoria do desempenho de detecção muitas vezes depende do projeto estrutural da camada dielétrica, que requer instalações sofisticadas de microfabricação. Este artigo relata um método simples e de baixo custo para fabricar sensores de pressão capacitivos porosos com sensibilidade melhorada usando o método baseado em evaporação de solvente para ajustar a porosidade. O sensor consiste em uma camada dielétrica porosa de polidimetilsiloxano (PDMS) colada com eletrodos superior e inferior feitos de compósitos poliméricos condutores elásticos (ECPCs). Os eletrodos foram preparados por lama condutora de PDMS dopada com nanotubos de carbono (CNTs) em filmes de PDMS padronizados por molde. Para otimizar a porosidade da camada dielétrica para melhorar o desempenho de sensoriamento, a solução de PDMS foi diluída com tolueno de diferentes frações mássicas em vez de filtrar ou moer o agente formador de poros de açúcar (PFA) em diferentes tamanhos. A evaporação do solvente tolueno permitiu a rápida fabricação de uma camada dielétrica porosa com porosidades controláveis. Confirmou-se que a sensibilidade poderia ser aumentada mais duas vezes quando a relação tolueno/PDMS foi aumentada de 1:8 para 1:1. A pesquisa proposta neste trabalho possibilita um método de baixo custo de fabricação de pinças robóticas macias biônicas totalmente integradas com mecanorreceptores sensoriais macios de parâmetros de sensores sintonizáveis.
Introduction
Nos últimos anos, sensores flexíveis de pressão vêm chamando a atenção devido à sua indispensável aplicação em robótica suave 1,2,3, interfaces hápticas “homem-máquina” 4,5 e monitoramento de saúde 6,7,8. Geralmente, os mecanismos de detecção de pressão incluem piezoresistiva 1,4,7, piezelétrica 2,6, capacitiva 2,3,9,10,11,12,13 e triboelétrica 8 Sensores. Dentre eles, os sensores de pressão capacitivos destacam-se como um dos métodos mais promissores em sensoriamento tátil devido à sua alta sensibilidade, baixo limite de detecção (LOD), etc.
Para um melhor desempenho de sensoriamento, várias microestruturas, como micropirâmides 2,9,14, micropilares 15 e microporos9,10,11,12,13,16,17 foram introduzidas em sensores de pressão capacitivos flexíveis, e os métodos de fabricação também foram otimizados para melhorar ainda mais o sensoriamento desempenho de tais estruturas. No entanto, a maioria dessas estruturas requer instalações sofisticadas de microfabricação, o que aumenta significativamente os custos de fabricação e as dificuldades operacionais. Por exemplo, como a microestrutura mais comumente usada em sensores de pressão mole, as micropirâmides contam com wafers de Si definidos litograficamente e gravados a úmido como molde de moldagem, o que requer equipamentos de precisão e um ambiente de sala limpa rigoroso 9,14. Portanto, estruturas de microporos (estruturas porosas) que podem ser feitas por processos de fabricação simples e com matérias-primas de baixo custo, mantendo alto desempenho de sensoriamento, têm chamado cada vez mais atenção recentemente9,10,11,12,13,16,17 . Isso será discutido, juntamente com as desvantagens da mudança do PFA e sua quantidade, como motivação para o uso do nosso método de controle de frações.
Neste trabalho, este trabalho propõe um método simples e de baixo custo baseado na técnica de evaporação de solvente para fabricar um sensor de pressão capacitivo flexível poroso com porosidade controlável. O processo completo de fabricação inclui a fabricação da camada dielétrica porosa do PDMS, o revestimento de raspagem dos eletrodos e a colagem de três camadas funcionais. Especificamente, este trabalho utiliza de forma inovadora uma solução mista PDMS/tolueno com uma certa razão de massa para fabricar a camada dielétrica porosa de PDMS com base no molde da mistura açúcar/eritritol. Enquanto isso, um tamanho uniforme de partícula de PFA garante morfologia e distribuição uniforme dos poros; assim, a porosidade pode ser controlada alterando-se a relação PDMS/massa de tolueno. Os resultados experimentais mostram que a sensibilidade do sensor de pressão proposto pode ser aumentada mais de duas vezes aumentando a relação PDMS/massa de tolueno de 1:8 para 1:1. A variação na espessura da parede dos microporos devido às diferentes relações de massa PDMS/tolueno também é confirmada por imagens de microscópio óptico. O sensor de pressão capacitivo suave otimizado mostra um alto desempenho de sensoriamento com sensibilidade e tempo de resposta de 3,47% kPa−1 e 0,2 s, respectivamente. Este método alcança a fabricação rápida, de baixo custo e fácil operação de uma camada dielétrica porosa com porosidade controlável.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho propõe um método simples baseado na evaporação de solventes para controlar a porosidade, e uma série de resultados experimentais comprovaram sua viabilidade. Embora a estrutura porosa tenha sido amplamente utilizada no sensor de pressão capacitivo flexível, o controle da porosidade ainda necessita de maior otimização. Ao contrário dos métodos existentes para alterar o tamanho das partículas do PFA 11,12,13,18,19 e a proporção de substrato polimérico para PFA <sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China sob 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 |
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