تعزيز حساسية مستشعرات الضغط السعوي اللينة باستخدام تقنية التحكم في المسامية القائمة على تبخر المذيبات
Summary
يتم تقديم طريقة تصنيع بسيطة وفعالة من حيث التكلفة تعتمد على تقنية تبخير المذيبات لتحسين أداء مستشعر الضغط السعوي الناعم ، والذي يتم تمكينه من خلال التحكم في المسامية في الطبقة العازلة باستخدام نسب كتلة مختلفة من محلول PDMS / التولوين المصبوب.
Abstract
تلعب مستشعرات الضغط الناعم دورا مهما في تطوير الإحساس باللمس “بين الإنسان والآلة” في الروبوتات اللينة والواجهات اللمسية. على وجه التحديد ، تم استكشاف أجهزة الاستشعار السعوية ذات مصفوفات البوليمر ذات البنية الدقيقة بجهد كبير بسبب حساسيتها العالية ونطاقها الخطي الواسع ووقت الاستجابة السريع. ومع ذلك ، فإن تحسين أداء الاستشعار غالبا ما يعتمد على التصميم الهيكلي للطبقة العازلة ، الأمر الذي يتطلب مرافق تصنيع دقيقة متطورة. تشير هذه المقالة إلى طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لتصنيع مستشعرات الضغط السعوي المسامية ذات الحساسية المحسنة باستخدام الطريقة القائمة على تبخر المذيبات لضبط المسامية. يتكون المستشعر من طبقة عازلة مسامية من البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) مرتبطة بأقطاب كهربائية علوية وسفلية مصنوعة من مركبات بوليمر موصلة مرنة (ECPCs). تم تحضير الأقطاب الكهربائية بواسطة أنابيب نانوية كربونية مطلية بالخدش (CNTs) مخدرة PDMS في أفلام PDMS منقوشة بالعفن. لتحسين مسامية الطبقة العازلة لتحسين أداء الاستشعار ، تم تخفيف محلول PDMS بالتولوين من كسور الكتلة المختلفة بدلا من تصفية أو طحن عامل تشكيل مسام السكر (PFA) إلى أحجام مختلفة. سمح تبخر مذيب التولوين بالتصنيع السريع لطبقة عازلة مسامية ذات مسامات يمكن التحكم فيها. تم التأكيد على أنه يمكن تعزيز الحساسية أكثر من ضعفين عندما تم زيادة نسبة التولوين إلى PDMS من 1: 8 إلى 1: 1. يتيح البحث المقترح في هذا العمل طريقة منخفضة التكلفة لتصنيع قوابض روبوتية إلكترونية ناعمة متكاملة تماما مع مستقبلات ميكانيكية حسية ناعمة لمعلمات الاستشعار القابلة للضبط.
Introduction
في السنوات الأخيرة ، لفتت مستشعرات الضغط المرنة الانتباه بسبب تطبيقها الذي لا غنى عنه في الروبوتات اللينة1،2،3 ، والواجهات اللمسية “بين الإنسان والآلة”4،5 ، ومراقبة الصحة6،7،8. بشكل عام ، تشمل آليات استشعار الضغط مقاومة الضغط1،4،7 ، كهرضغطية 2،6 ، سعوية2،3،9،10،11،12،13 ، و triboelectric8 اجهزه الاستشعار. من بينها ، تبرز مستشعرات الضغط السعوي كواحدة من أكثر الطرق الواعدة في الاستشعار عن طريق اللمس نظرا لحساسيتها العالية ، والحد المنخفض للكشف (LOD) ، إلخ.
للحصول على أداء استشعار أفضل ، تم إدخال العديد من البنى المجهرية مثل الأهرامات الدقيقة2،9،14 ، والأعمدة الدقيقة 15 ، والمسام الدقيقة 9،10،11،12،13،16،17 إلى مستشعرات الضغط السعوي المرنة ، كما تم تحسين طرق التصنيع لزيادة تحسين الاستشعار أداء هذه الهياكل. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الهياكل تتطلب مرافق تصنيع دقيقة متطورة ، مما يزيد بشكل كبير من تكاليف التصنيع والصعوبات التشغيلية. على سبيل المثال ، باعتبارها البنية المجهرية الأكثر استخداما في مستشعرات الضغط الناعم ، تعتمد الأهرامات الدقيقة على رقائق Si المحددة بالطباعة الحجرية والمحفورة الرطبة كقالب صب ، الأمر الذي يتطلب معدات دقيقة وبيئة غرف الأبحاثالصارمة 9,14. لذلك ، فإن الهياكل الدقيقة (الهياكل المسامية) التي يمكن تصنيعها عن طريق عمليات تصنيع بسيطة وبمواد خام منخفضة التكلفة مع الحفاظ على أداء الاستشعار العالي قد جذبت اهتماما متزايدا مؤخرا9،10،11،12،13،16،17. سيتم مناقشة هذا ، إلى جانب عيوب تغيير PFA ومقداره ، كدافع لاستخدام طريقة التحكم في الكسور الخاصة بنا.
هنا ، يقترح هذا العمل طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة تعتمد على تقنية تبخر المذيبات لتصنيع مستشعر ضغط سعوي مرن مسامي مع مسامية يمكن التحكم فيها. تتضمن عملية التصنيع الكاملة تصنيع الطبقة العازلة المسامية PDMS ، وطلاء الكشط للأقطاب الكهربائية ، وربط ثلاث طبقات وظيفية. على وجه التحديد ، يستخدم هذا العمل بشكل مبتكر محلول مختلط PDMS / التولوين مع نسبة كتلة معينة لتصنيع طبقة عازلة PDMS المسامية بناء على قالب خليط السكر / الإريثريتول. وفي الوقت نفسه ، يضمن حجم جسيمات PFA الموحد مورفولوجيا المسام وتوزيعها بشكل موحد ؛ وبالتالي ، يمكن التحكم في المسامية عن طريق تغيير نسبة كتلة PDMS / التولوين. أظهرت النتائج التجريبية أنه يمكن تعزيز حساسية مستشعر الضغط المقترح بأكثر من ضعفين عن طريق زيادة نسبة كتلة PDMS / التولوين من 1: 8 إلى 1: 1. يتم تأكيد الاختلاف في سمك جدار المسام الدقيقة بسبب نسب كتلة PDMS / toluene المختلفة أيضا بواسطة صور المجهر الضوئي. يظهر مستشعر الضغط السعوي الناعم المحسن أداء استشعار عاليا مع حساسية ووقت استجابة يبلغ 3.47٪ كيلو باسكال −1 و 0.2 ثانية على التوالي. تحقق هذه الطريقة التصنيع السريع والمنخفض التكلفة وسهل التشغيل لطبقة عازلة مسامية ذات مسامية يمكن التحكم فيها.
Protocol
Representative Results
Discussion
يقترح هذا العمل طريقة بسيطة تعتمد على تبخر المذيبات للتحكم في المسامية ، وقد أثبتت سلسلة من النتائج التجريبية جدواها. على الرغم من استخدام الهيكل المسامي على نطاق واسع في مستشعر الضغط السعوي المرن ، إلا أن التحكم في المسامية لا يزال بحاجة إلى مزيد من التحسين. على عكس الطرق الحالية لتغيير ح…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار 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).
