تعزيز حساسية مستشعرات الضغط السعوي اللينة باستخدام تقنية التحكم في المسامية القائمة على تبخر المذيبات

اقترحنا طريقة جديدة لتصنيع مستشعر ضغط تنافسي مرن مع أداء يمكن التحكم فيه. يتم تحقيق ذلك عن طريق ضبط جزء كتلة المذيب للتحكم في مسامية الطبقة العازلة. يتم تحسين مستشعر الضغط التنافسي من خلال طريقة تشغيل فعالة من حيث التكلفة وسهلة تتجنب استخدام مرافق التصنيع الدقيق المتطورة.

لتصنيع طبقة عازلة PDMS المسامية ، قم بوزن السكر المصفى ومسحوق الإريثريتول بنسبة كتلة من 20 إلى 1 واخلطهما بالتساوي عن طريق الهز. املأ الخليط في قالب معدني من سكر الإريثريتول تم الحصول عليه تجاريا واضغط على السطح لجعل الحشو مضغوطا. سخني الخليط في فرن حراري على حرارة 135 درجة مئوية لمدة ساعتين.

بعد التسخين ، اترك الخليط يبرد في درجة حرارة الغرفة قبل إزالة السكر المقطوع. لتصنيع طبقة عازلة PDMS التي يمكن التحكم فيها بالمسامية ، قم بوزن خمسة جرامات من التولوين ، وخمسة جرامات من قاعدة PDMS ، و 0.5 جرام من عامل معالجة PDMs في أنبوب طرد مركزي وحرك المحلول بالتساوي. قم بطرد المحلول عند 875G لمدة 30 ثانية في درجة حرارة الغرفة لإزالة فقاعات الهواء.

ضع قالب السكر الإريثريتول المسامي المربع في طبق بتري. أدخل شريطا على الوجهين كفواصل أسفل الزوايا الأربع لرفع القالب عن سطح طبق بتري. صب محلول التولوين PDMS في القالب وقم بإمالة الطبق قليلا لملء جميع الفجوات بين جزيئات السكر.

ثم ضع الطبق في مجفف فراغ وديغا لمدة 20 دقيقة. بعد التفريغ ، انقل الطبق من المجفف إلى الفرن عند 90 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة لتبخر التولوين ومعالجة PDMS السائل. بعد ذلك ، اغمر PDMS المعالج المضمن في القالب المسامي في الماء منزوع الأيونات.

سخنيها على طبق ساخن عند 140 درجة مئوية حتى يذوب قالب السكر تماما ونظف PDMS المسامي بالماء منزوع الأيونات. لتصنيع طبقات القطب المرنة القائمة على ECPCs ، أولا ، قم بتجميع حبر ECPCs عن طريق وزن 0.16 جرام من الأنابيب النانوية الكربونية ، أو CNTs ، وأربعة جرامات من التولوين في دورق. قم بتغطية الدورق بغشاء مانع للتسرب لمنع تبخر المذيبات وحركه مغناطيسيا عند 250 دورة في الدقيقة لمدة 90 دقيقة.

قم بوزن جرامين من قاعدة PDMS وجرامين من التولوين في دورق ، وضعه على محرك مغناطيسي عند 200 دورة في الدقيقة لمدة ساعة واحدة. بعد تحضير كلا الحلين ، امزج تعليق التولوين CNTs مع محلول التولوين الأساسي PDMS وقم بتغطية الدورق بفيلم مانع للتسرب. يقلب مغناطيسيا عند 250 دورة في الدقيقة لمدة ساعتين.

بعد الخلط ، اكشف عن الدورق وأضف 0.2 جرام من عامل معالجة PDMS في المحلول المختلط. يقلب مغناطيسيا عند 75 درجة مئوية و 250 دورة في الدقيقة لمدة ساعة واحدة. لكشط الأقطاب الكهربائية ، قم بوزن التولوين وقاعدة PDMS وعامل معالجة PDMS في أنبوب طرد مركزي بنسبة كتلة من 2 إلى 10 إلى 1 وحرك المحلول بالتساوي.

بعد ذلك ، قم بطرد المحلول عند 875G لمدة 30 ثانية في درجة حرارة الغرفة لإزالة فقاعات الهواء. صب 1.3 جرام من محلول التولوين PDMS في قالب معدني قطب كهربائي تم الحصول عليه تجاريا بنمط قطب كهربائي منقوش. ضع القالب في مجفف فراغ وديغا لمدة 10 دقائق.

بعد ذلك ، قم بمعالجة PDMS في القالب على طبق ساخن عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. بعد التبريد في درجة حرارة الغرفة ، انزع فيلم PDMS المنقوش. قم بتوصيل الجانب المسطح من فيلم PDMS برقاقة السيليكون.

قم بتغطية حبر ECPCs في نمط القطب. عالج حبر ECPC على لوح تسخين عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. لربط وتعبئة المستشعرات السعوية الناعمة ، قم بتوصيل السلك المعدني بالقطب.

قم بإسقاط الطلاء الفضي الموصل في موقع التوصيل للحصول على توصيل جيد وانتظر حتى يجف الطلاء الفضي الموصل. قم بإسقاط محلول PDMS على الوصلة لإغلاق الطلاء الموصل الفضي المجفف تماما. عالج PDMS على طبق ساخن عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.

بعد المعالجة ، كرر الخطوات لتوصيل السلك لطبقات القطب العلوي والسفلي. ضع طبقة رقيقة من PDMS بالتساوي على فيلم القطب كطبقة التصاق للترابط بين القطب والطبقات العازلة. بعد ذلك ، ضع طبقة عازلة PDMS المسامية ملفقة على طبقة القطب.

علاج الغراء PDMS عند 95 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. ضع طبق بتري زجاجي على PDMS المسامي لضمان ملامسة جيدة بين الطبقتين أثناء التسخين. ضع طبقة رقيقة من PDMS بالتساوي على طبقة القطب الأخرى.

بعد ذلك ، اعكس الطبقة العازلة للقطب المستعبدين وضعها على طبقة القطب المفرد الأخرى. بعد محاذاة القطبين ، قم بإنهاء الترابط بين طبقة PDMS المسامية وطبقة القطب الأخرى. لاختبار أداء الاستشعار ، تحكم في المحرك المتدرج لدفع المسافة البادئة للتحرك عموديا بمسافة مبرمجة.

سجل السعة وبيانات الضغط القياسية عن طريق زيادة قوة التحميل بنفس الفاصل الزمني في كل دورة تحميل متتالية حتى يصل ضغط التحميل إلى 40 نيوتن. مرة أخرى ، تحكم في المحرك المتدرج وسجل السعة وبيانات الضغط القياسية. كرر اختبارات التحميل والتفريغ لمدة 2،500 دورة أثناء تسجيل سعة الجهاز قيد الاختبار كدالة لقراءة الضغط القياسية.

تحكم في المسافة البادئة للضغط لأسفل بسرعة والبقاء ثابتا لبضع ثوان قبل العودة إلى تحميل نيوتن صفر. كرر هذا الإجراء خمس مرات وسجل السعة كدالة للوقت. أظهرت صور المجهر الضوئي للطبقات العازلة المسامية PDMS المصنعة بنسب كتلة مختلفة من PDMS toluene أن سمك جدار المسام انخفض مع زيادة نسبة كتلة محلول التولوين PDMS.

أظهر تحليل المحاكاة أن المسامية الأعلى ساهمت في إجهاد ضغط أكبر ، مع تحسن الخطية تحت نفس ضغط الضغط المطبق. أظهر منحنى استجابة ضغط السعة لأجهزة الاستشعار ذات الطبقات العازلة المسامية PDMS مع نسب كتلة التولوين PDMS المختلفة حساسية مختلفة. في نطاق تحميل الضغط من 0 إلى 10 كيلو باسكال ، أظهر المستشعر الذي يحتوي على نسبة كتلة التولوين PDMS واحد إلى واحد حساسية أعلى بمرتين من حساسية المستشعر مع نسبة كتلة التولوين PDMS ثمانية إلى واحد.

عند زيادة الضغط ، انخفض حجم مسام الطبقة العازلة تدريجيا ، مما قلل من الحساسية حتى وصلت إلى نفس المستوى لجميع المساميات. يتم عرض الاستجابة السعوية لخمسة اختبارات تحميل وتفريغ متتالية تحت نفس ضغط التحميل البالغ 10 كيلو باسكال. تم العثور على وقت استجابة التحميل ليكون 0.2 ثانية.

كشفت الاختبارات الدورية أن المستشعر السعوي الناعم المصنع يتمتع بتكرار ممتاز بعد 2،500 دورة. ستنخفض مسامية الطبقة العازلة PDMS مع زيادة نسبة كتلة التولوين PDMS ، مما سيؤثر على أداء المستشعر.