Amélioration de la sensibilité de capteurs de pression capacitifs souples à l’aide d’une technique de contrôle de porosité basée sur l’évaporation de solvant
Summary
Une méthode de fabrication simple et rentable basée sur la technique d’évaporation du solvant est présentée pour optimiser les performances d’un capteur de pression capacitif souple, qui est activé par le contrôle de la porosité dans la couche diélectrique en utilisant différents rapports de masse de la solution de moulage PDMS / toluène.
Abstract
Les capteurs de pression douce jouent un rôle important dans le développement de la sensation tactile « homme-machine » dans la robotique douce et les interfaces haptiques. Plus précisément, les capteurs capacitifs avec des matrices polymères microstructurées ont été explorés avec un effort considérable en raison de leur sensibilité élevée, de leur large plage de linéarité et de leur temps de réponse rapide. Cependant, l’amélioration des performances de détection repose souvent sur la conception structurelle de la couche diélectrique, ce qui nécessite des installations de microfabrication sophistiquées. Cet article décrit une méthode simple et peu coûteuse pour fabriquer des capteurs de pression capacitifs poreux avec une sensibilité améliorée en utilisant la méthode basée sur l’évaporation de solvant pour régler la porosité. Le capteur est constitué d’une couche diélectrique poreuse de polydiméthylsiloxane (PDMS) liée à des électrodes supérieures et inférieures en composites polymères conducteurs élastiques (ECPC). Les électrodes ont été préparées en recouvrant la boue conductrice PDMS dopée à des nanotubes de carbone (NTC) dans des films PDMS à motif de moule. Afin d’optimiser la porosité de la couche diélectrique pour améliorer les performances de détection, la solution PDMS a été diluée avec du toluène de différentes fractions massiques au lieu de filtrer ou de broyer l’agent de formation des pores du sucre (PFA) en différentes tailles. L’évaporation du solvant toluène a permis la fabrication rapide d’une couche diélectrique poreuse avec des porosités contrôlables. Il a été confirmé que la sensibilité pouvait être multipliée par deux lorsque le rapport toluène/PDMS passait de 1:8 à 1:1. La recherche proposée dans ce travail permet une méthode peu coûteuse de fabrication de préhenseurs robotiques souples bioniques entièrement intégrés avec des mécanorécepteurs sensoriels souples de paramètres de capteur accordables.
Introduction
Ces dernières années, les capteurs de pression flexibles ont attiré l’attention en raison de leur application indispensable dans la robotique douce 1,2,3, les interfaces haptiques « homme-machine » 4,5 et la surveillance de la santé 6,7,8. Généralement, les mécanismes de détection de pression comprennent piézorésistif 1,4,7, piézoélectrique 2,6, capacitif 2,3,9,10,11,12,13 et triboélectrique 8 Capteurs. Parmi eux, les capteurs de pression capacitifs se distinguent comme l’une des méthodes les plus prometteuses en détection tactile en raison de leur sensibilité élevée, de leur faible limite de détection (LOD), etc.
Pour de meilleures performances de détection, diverses microstructures telles que les micro-pyramides 2,9,14, les micro-piliers 15 et les micro-pores 9,10,11,12,13,16,17 ont été introduites dans les capteurs de pression capacitifs flexibles, et les méthodes de fabrication ont également été optimisées pour améliorer encore la détection. les performances de ces structures. Cependant, la plupart de ces structures nécessitent des installations de microfabrication sophistiquées, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication et les difficultés opérationnelles. Par exemple, en tant que microstructure la plus couramment utilisée dans les capteurs de pression douce, les micropyramides reposent sur des plaquettes de Si lithographiquement définies et gravées par voie humide comme modèle de moulage, ce qui nécessite un équipement de précision et un environnement de salle blanche strict 9,14. Par conséquent, les structures microporeuses (structures poreuses) qui peuvent être fabriquées par des procédés de fabrication simples et avec des matières premières à faible coût tout en maintenant des performances de détection élevées ont attiré une attention croissante récemment 9,10,11,12,13,16,17 . Cela sera discuté, ainsi que les inconvénients de la modification du PFA et de sa quantité, comme motivation pour utiliser notre méthode de contrôle des fractions.
Ici, ce travail propose une méthode simple et peu coûteuse basée sur la technique d’évaporation du solvant pour fabriquer un capteur de pression capacitif flexible poreux avec une porosité contrôlable. Le processus de fabrication complet comprend la fabrication de la couche diélectrique PDMS poreuse, le revêtement par éraflure des électrodes et le collage de trois couches fonctionnelles. Plus précisément, ce travail utilise de manière innovante une solution mixte PDMS/toluène avec un certain rapport de masse pour fabriquer la couche diélectrique PDMS poreuse basée sur le modèle de mélange sucre/érythritol. Pendant ce temps, une taille uniforme des particules de PFA assure une morphologie et une distribution uniformes des pores; ainsi, la porosité peut être contrôlée en modifiant le rapport de masse PDMS/toluène. Les résultats expérimentaux montrent que la sensibilité du capteur de pression proposé peut être multipliée par plus de deux en augmentant le rapport de masse PDMS/toluène de 1:8 à 1:1. La variation de l’épaisseur de la paroi des micropores due aux différents rapports de masse PDMS/toluène est également confirmée par des images au microscope optique. Le capteur de pression capacitif souple optimisé affiche des performances de détection élevées avec une sensibilité et un temps de réponse de 3,47% kPa−1 et 0,2 s, respectivement. Cette méthode permet de fabriquer rapidement, à faible coût et facilement une couche diélectrique poreuse avec une porosité contrôlable.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce travail propose une méthode simple basée sur l’évaporation du solvant pour contrôler la porosité, et une série de résultats expérimentaux ont prouvé sa faisabilité. Bien que la structure poreuse ait été largement utilisée dans le capteur de pression capacitif flexible, le contrôle de la porosité doit encore être optimisé. Contrairement aux méthodes existantes pour modifier la taille des particules du PFA 11,12,13,18,19 et le rapport du substrat polymère au PFA<sup class="x…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre de la subvention 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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