Summary

Повышение чувствительности мягких емкостных датчиков давления с использованием метода контроля пористости на основе испарения растворителя

Published: March 24, 2023
doi:

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

1. Изготовление мягкого емкостного датчика давления с пористым диэлектрическим слоем PDMS Изготовление пористого диэлектрического слоя PDMSПодготовьте пористый шаблон из сахара/эритрита, выполнив следующие действия.Отфильтруйте сахар с помощью сит для образцов с …

Representative Results

Фотография пористого шаблона из кускового сахара/эритрита показана на рисунке 3А. На рисунке 3B показан гибкий электродный слой с рисунком ECPC, покрытым царапинами. На рисунке 3С показан мягкий емкостный датчик давления с пористы?…

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

  1. Ozioko, O., et al. SensAct: The soft and squishy tactile Sensor with integrated flexible actuator. Advanced Intelligent Systems. 3 (3), 1900145 (2021).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Gao, Y. J., et al. Wearable microfluidic diaphragm pressure sensor for health and tactile touch monitoring. Advanced Materials. 29 (39), 1701985 (2017).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Mannsfeld, S. C. B., et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nature Materials. 9 (10), 859-864 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Play Video

Cite This Article
Zhu, Z., Cao, Y., Chi, H., Wang, X., Hou, D. Sensitivity Enhancement of Soft Capacitive Pressure Sensors Using a Solvent Evaporation-Based Porosity Control Technique. J. Vis. Exp. (193), e65143, doi:10.3791/65143 (2023).

View Video