方法文章

基于溶剂蒸发的孔隙率控制技术提高软电容式压力传感器的灵敏度

DOI：

10.3791/65143

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2023年3月24日

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1State Key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University

本文内容

摘要

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提出了一种基于溶剂蒸发技术的简单且具有成本效益的制造方法，以优化软电容式压力传感器的性能，该方法通过使用不同质量比的模塑PDMS/甲苯溶液在介电层中的孔隙率控制来实现。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

软压力传感器在软机器人和触觉界面中发展"人机"触觉方面发挥着重要作用。具体而言，具有微结构聚合物基质的电容式传感器因其高灵敏度、宽线性范围和快速响应时间而进行了相当大的努力探索。然而，传感性能的提高通常依赖于介电层的结构设计，这需要复杂的微细加工设施。本文介绍了一种简单且低成本的方法来制造多孔电容式压力传感器，该方法使用基于溶剂蒸发的方法调节孔隙率，从而提高了灵敏度。该传感器由多孔聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 介电层组成，该介电层与由弹性导电聚合物复合材料 （ECPC） 制成的顶部和底部电极粘合。通过将碳纳米管（CNTs）掺杂的PDMS导电浆料刮涂成模具图案的PDMS薄膜来制备电极。为了优化介电层的孔隙率以增强传感性能，PDMS溶液用不同质量分数的甲苯稀释，而不是过滤或研磨成不同尺寸的糖孔形成剂（PFA）。甲苯溶剂的蒸发允许快速制造具有可控孔隙率的多孔介电层。结果表明，当甲苯与PDMS的比例从1:8提高到1:1时，灵敏度可以提高两倍。这项工作中提出的研究提供了一种低成本的方法来制造具有可调传感器参数的软感觉机械感受器的完全集成的仿生软机器人抓手。

引言

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近年来，柔性压力传感器因其在软机器人1，2，3，"人机"触觉界面4，5和健康监测6，7，8中不可或缺的应用而受到关注。通常，压力传感的机制包括压阻式 1，4，7、压电式 2，6、电容式 2、3，9、10、11、12、

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方案

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1. 多孔PDMS介电层软电容式压力传感器的制备

  1. 多孔PDMS介电层的制造
    1. 按照以下步骤准备糖/赤藓糖醇多孔模板。
      1. 用孔径为270μm和500μm的样品筛过滤糖。选择粒径在270-500μm范围内的糖。
        注意:只要均匀性在公差范围内，更大或更小的糖粒径也是可以接受的。糖颗粒的直径将影响后续步骤中制造的多孔PDMS层的孔径，但不会完全确定孔径。
      2. 将赤藓糖醇（见 材料表）研磨成粉末，以确保与糖混合更均匀。
      3. 称取一定量的过滤糖和赤藓糖醇粉末，质量比为20:1。摇晃以将它们混合均匀。
      4. 将糖/赤藓糖醇混合物填充到商业获得的糖/赤藓糖醇金属模具中（见 材料表）。压压表面使填料紧凑。
        注意:为确保下一步易于脱模，可以在糖/赤藓糖醇之前在模具中放置一层铝箔。
      5. 用糖/赤藓糖醇混合物在135°C的对流烘箱中加热模具2小时，如图 1A所示。在室温下冷却后，取出块状板糖（即多孔模板）。
    2. 制造孔隙率可控的PDMS介电层。
      1. 在离心管中称取5g甲苯，5gPDMS碱和0.5gPDMS固化剂（见 材料表）（即PDMS碱/甲苯/固化剂的质量比为10:10:1）....

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结果

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集总糖/赤藓糖醇多孔模板的照片如图3A所示。 图3B显示了具有刮擦涂层ECPC图案的柔性电极层。图3C显示了用所提出的方法制造的带有多孔介电层的软电容式压力传感器。基于PDMS/甲苯溶液制备了4个多孔PDMS介电层，质量比分别为1:1、3:1、5:1和8:1。显示不同结构的孔形貌的光学显微镜图像如图3D所示。结果表明， 随着PDMS/甲苯溶液质量比的增加， 孔壁厚度增加.

为了验证机械性能对孔隙率的依赖性，使用先进的数值建模软件（见材料表）进行了有限元分析（FEA），以模拟多孔PDMS介电层中产生的压力作为压缩应变的函数。创建了具有开放孔隙的多孔PDMS的3D模型，z轴上的长度为2 mm。孔的位置是固定的，而直径是改变的，以获得不同的孔隙率。在z.......

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讨论

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本工作提出了一种基于溶剂蒸发的简单方法控制孔隙率，一系列实验结果证明了其可行性。虽然多孔结构已广泛应用于柔性电容式压力传感器，但孔隙率控制仍需进一步优化。与改变PFA 11，12，13，18，19的粒径和聚合物底物与PFA 17，20的比例的现有方法不同，我们改变了聚合物底物溶液的浓度，同时保持PFA（即糖）的大小均匀。结果，孔壁的厚度在孔隙分布保持时发生变化，这意味着孔隙率可以通过溶液浓度来控制。

孔隙率控制的最关键步骤是制备PDMS/甲苯溶液。PDMS/甲苯溶液的质量比分别为1:1、3:1、5:1和8:1，以制备具有不同孔隙率的介电层。实验.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作得到了中国国家自然科学基金资助62273304。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3D打印机浙江奇迪科技有限公司X-MAX
3D打印材料浙江奇迪科技有限公司3D打印耗材 PLA 1.75
碳纳米管（CNT）XFNANOXFM13
数据采集（DAQ）National InstrumentsUSB6002
双面胶带明尼苏达州 矿业和制造 （3M）3M VHB 49101 毫米厚
电极金属模具广东顺德区莫拉机器人有限公司这种金属模具是一块圆形金属板，底部有平底圆槽，槽中部有 0.2 毫米厚的压花电极图案。
赤藓糖醇Shandong Sanyuan Biotechnology Co.，Ltd.
异丙醇 （IPA）国药化学试剂有限公司80109218
LabVIEWNational InstrumentsLabVIEW 2019
LCR仪表KeysightEA4980AL
金属线杭州宏通 WIRE&CABLE Co.， Ltd. 电缆有限公司2UEW/155
显微镜AosviT2-3M180
数值建模软件COMSOLMultiphysics 5.6
聚二甲基硅氧烷 （PDMS）陶氏化学公司SYLGAR 184 有机硅弹性体套件两部分（基料和固化剂）
密封膜康宁PM-996封口膜
硅晶片苏州晶硅电子 &科技有限公司ZK20220416-03直径 （mm）：50.8 +/- 0.3
类型/方向：P/100
厚度 （µm）： 525 +/- 25
银导电漆电子显微镜科学12686-15
步进电机北京海捷佳创科技有限公司57H B56L4-30DB
糖/赤藓糖醇模板金属模具广东顺德区摩拉机器人有限公司该金属模具是一个 5 毫米厚的方形金属板，带有 2.5 毫米深的平底方槽。
甲苯国药化学试剂有限公司10022819
毫米

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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.

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PDMS

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