Повышение чувствительности мягких емкостных датчиков давления с использованием метода контроля пористости на основе испарения растворителя
Summary
Представлен простой и экономичный метод изготовления, основанный на методе выпаривания растворителя, для оптимизации характеристик мягкого емкостного датчика давления, что обеспечивается контролем пористости в диэлектрическом слое с использованием различных массовых соотношений формовочного раствора ПДМС/толуола.
Abstract
Мягкие датчики давления играют важную роль в развитии тактильных ощущений «человек-машина» в мягкой робототехнике и тактильных интерфейсах. В частности, емкостные датчики с микроструктурированными полимерными матрицами были исследованы со значительными усилиями из-за их высокой чувствительности, широкого диапазона линейности и быстрого времени отклика. Однако улучшение характеристик восприятия часто зависит от структурной конструкции диэлектрического слоя, что требует сложных микропроизводственных мощностей. В этой статье рассказывается о простом и недорогом методе изготовления пористых емкостных датчиков давления с улучшенной чувствительностью с использованием метода испарения растворителя для настройки пористости. Датчик состоит из пористого диэлектрического слоя из полидиметилсилоксана (PDMS), связанного с верхним и нижним электродами, изготовленными из эластичных проводящих полимерных композитов (ECPC). Электроды были приготовлены путем соскабливания проводящей суспензии PDMS, легированной углеродными нанотрубками (УНТ), в пленки PDMS с формовым рисунком. Для оптимизации пористости диэлектрического слоя для повышения чувствительности раствор PDMS разбавляли толуолом разных массовых долей вместо фильтрации или измельчения сахарного порообразующего агента (ПФА) в разные размеры. Испарение толуолового растворителя позволило быстро получить пористый диэлектрический слой с контролируемой пористостью. Было подтверждено, что чувствительность может быть повышена более двукратно, если отношение толуола к ПДМС было увеличено с 1:8 до 1:1. Исследование, предложенное в данной работе, позволяет использовать недорогой метод изготовления полностью интегрированных бионических мягких роботизированных захватов с мягкими сенсорными механорецепторами настраиваемых параметров датчика.
Introduction
В последние годы гибкие датчики давления привлекают внимание благодаря их незаменимому применению в мягкой робототехнике 1,2,3, тактильных интерфейсах «человек-машина»4,5 и мониторинге работоспособности 6,7,8. Как правило, механизмы измерения давления включают пьезорезистивные 1,4,7, пьезоэлектрические 2,6, емкостные 2,3,9,10,11,12,13 и трибоэлектрические 8 Датчики. Среди них емкостные датчики давления выделяются как один из наиболее перспективных методов тактильного зондирования из-за их высокой чувствительности, низкого предела обнаружения (LOD) и т. д.
Для лучшей производительности обнаружения различные микроструктуры, такие как микропирамиды 2,9,14, микростолбы 15 и микропоры9,10,11,12,13,16,17, были введены в гибкие емкостные датчики давления, а методы изготовления также были оптимизированы для дальнейшего улучшения зондирования Производительность таких конструкций. Однако для большинства этих конструкций требуются сложные микропроизводственные мощности, что значительно увеличивает производственные затраты и эксплуатационные трудности. Например, как наиболее часто используемая микроструктура в датчиках мягкого давления, микропирамиды полагаются на литографически определенные и мокрые травленые кремниевые пластины в качестве формовочного шаблона, что требует прецизионного оборудования и строгой среды в чистых помещениях 9,14. Таким образом, микропористые структуры (пористые структуры), которые могут быть изготовлены с помощью простых производственных процессов и из недорогого сырья при сохранении высоких характеристик срабатывания, в последнее время привлекают все большее внимание 9,10,11,12,13,16,17 . Это будет обсуждаться, наряду с недостатками изменения PFA и его размера, в качестве мотивации для использования нашего метода контроля фракций.
В данной работе предлагается простой и недорогой метод, основанный на методе испарения растворителя, для изготовления пористого гибкого емкостного датчика давления с контролируемой пористостью. Полный производственный процесс включает в себя изготовление пористого диэлектрического слоя PDMS, скребковое покрытие электродов и склеивание трех функциональных слоев. В частности, в этой работе инновационно используется смешанный раствор ПДМС/толуол с определенным соотношением масс для изготовления пористого диэлектрического слоя ПДМС на основе шаблона смеси сахар/эритрит. Между тем, однородный размер частиц PFA обеспечивает равномерную морфологию и распределение пор; таким образом, пористость можно контролировать, изменяя массовое соотношение PDMS/толуол. Результаты экспериментов показывают, что чувствительность предлагаемого датчика давления может быть повышена более чем в два раза за счет увеличения массового отношения ПДМС/толуол с 1:8 до 1:1. Изменение толщины стенки микропор из-за различных соотношений массы ПДМС и толуола также подтверждается изображениями оптического микроскопа. Оптимизированный мягкий емкостный датчик давления демонстрирует высокую чувствительность с чувствительностью и временем отклика 3,47% кПа-1 и 0,2 с соответственно. Этот метод обеспечивает быстрое, недорогое и простое в эксплуатации изготовление пористого диэлектрического слоя с контролируемой пористостью.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой работе предлагается простой метод, основанный на испарении растворителя для контроля пористости, и ряд экспериментальных результатов доказал его осуществимость. Несмотря на то, что пористая структура широко используется в гибком емкостном датчике давления, контроль пористост?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта 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).
