本文介绍了一种基于溶剂蒸发技术的简单且低成本的制备方法，通过调控介电层中模具PDMS/甲苯溶液的不同质量比来控制孔隙率，从而优化柔性电容式压力传感器的性能。
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本文内容
摘要
摘要
柔性压力传感器在软体机器人和触觉界面中实现"人机"触觉感知方面发挥着重要作用。特别是，具有微结构聚合物基体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受到广泛关注。然而，传感性能的提升通常依赖于介电层的结构设计，这需要复杂的微加工设备。本文报道了一种基于溶剂蒸发法调控孔隙率的简单且低成本方法，用于制备具有更高灵敏度的多孔电容式压力传感器。该传感器由多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）介电层构成，上下两侧键合有弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）制成的电极。电极通过将掺杂碳纳米管（CNTs）的PDMS导电浆料刮涂到模具图案化的PDMS薄膜中制备而成。为了优化介电层的孔隙率以提升传感性能，采用不同质量分数的甲苯稀释PDMS溶液，而非将糖类造孔剂（PFA）过滤或研磨成不同粒径。甲苯溶剂的蒸发实现了具有可控孔隙率的多孔介电层的快速制备。实验结果表明，当甲苯与PDMS的质量比从1:8增加至1:1时，传感器灵敏度可提升两倍以上。本研究所提出的方法为低成本制备具有可调传感参数的全集成仿生柔性机器人夹持器提供了可行途径。
引言
近年来，柔性压力传感器因其在软体机器人1,2,3、"人机"触觉界面4,5以及健康监测6,7,8中的不可或缺的应用而受到广泛关注。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
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方案
1. 具有多孔PDMS介电层的柔性电容式压力传感器的制备
- 多孔PDMS介电层的制备
- 按照以下步骤制备糖/赤藓糖醇多孔模板。
- 使用孔径为 270 µm 和 500 µm 的样品筛对糖进行筛分，选取粒径在 270–500 µm 范围内的糖。
注意：只要均匀性在公差范围内，使用较大或较小的糖颗粒尺寸也是可接受的。糖颗粒的直径将影响后续步骤中制备的多孔PDMS层的孔径大小，但不会完全决定孔径大小。 - 研磨赤藓糖醇（参见 材料表) 研磨成粉末，以确保与糖更均匀地混合。
- 称取一定量的过滤蔗糖和赤藓糖醇粉末，质量比为20:1。振荡使其混合均匀。
- 将糖/赤藓糖醇混合物填入市售的糖/赤藓糖醇金属模具中（参见 材料表）。按压表面，使填充物压实。
注意：为了确保下一步中易于脱模，可在模具中先铺一层铝箔，再加入糖/赤藓糖醇。 - 将模具连同其中的糖/赤藓糖醇混合物一起放入对流烘箱中，在 135 °C 下加热 2 小时，如图所示 图1A室温冷却后，取出块状板糖（即多孔模板）。
- 使用孔径为 270 µm 和 500 µm 的样品筛对糖进行筛分，选取粒径在 270–500 µm 范围内的糖。
- 制备可调控孔隙率的PDMS介电层。
- 称取5....
- 按照以下步骤制备糖/赤藓糖醇多孔模板。
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结果
团聚的糖/赤藓糖醇多孔模板的照片如图3A所示。 图3B 展示了涂覆有刮涂法制备的ECPCs图案的柔性电极层。图3C展示了采用所提出方法制备的具有多孔介电层的柔性电容式压力传感器。基于PDMS/甲苯溶液，分别按照1:1、3:1、5:1和8:1的不同质量比制备了四种多孔PDMS介电层。不同结构的孔隙形貌光学显微镜图像如 图3D所示。结果表明，随着PDMS/甲苯溶液质量比的增加，孔壁厚度也随之增加。
为了验证力学性能对孔隙率的依赖性，采用有限元分析（FEA）结合先进的数值模拟软件（见材料表），模拟了多孔PDMS介电层在不同压缩应变下所产生的压力。建立了具有开放孔隙的三维多孔PDMS模型，其z轴方向长度为2 mm。孔隙的位置保持固定，通过改变孔径大小以获.......
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讨论
本研究提出了一种基于溶剂蒸发的简单方法来控制孔隙率，一系列实验结果已证明了该方法的可行性。尽管多孔结构已在柔性电容式压力传感器中得到广泛应用，但孔隙率的控制仍需进一步优化。与现有通过改变PFA11,12,13,18,19颗粒尺寸或聚合物基底与PFA的比例17,20的方法不同，我们在保持PFA（即蔗糖）尺寸均匀的前提下，改变聚合物基底溶液的浓度。结果表明，在孔分布保持不变的情况下，孔壁厚度发生变化，这意味着孔隙率可通过溶液浓度进行调控。
控制孔隙率最关键的步骤是制备PDMS/甲苯溶液。为制备具有不同孔隙率的介电层，分别选择PDMS/甲苯溶液的质量.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（项目编号 62273304）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | 浙江启迪科技有限公司 | X-MAX | |
| 3D打印材料 | 浙江启迪科技有限公司 | 3D打印耗材 PLA 1.75 mm | |
| 碳纳米管（CNTs） | XFNANO | XFM13 | |
| 数据采集（DAQ） | National Instruments | USB6002 | |
| 双面胶带 | 明尼苏达矿业及制造公司（3M） | 3M VHB 4910 | 1 mm 厚 |
| 电极金属模具 | 广东顺德摩罗机器人有限公司 | 该金属模具是一块圆形金属板，底部中央有一个平底圆形凹槽，凹槽中部设有0.2 mm厚的凸起电极图案。 | |
| 赤藓糖醇 | 山东三元生物技术有限公司 | ||
| 异丙醇（IPA） | 国药集团化学试剂有限公司 | 80109218 | |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2019 | |
| LCR 电桥 | Keysight | EA4980AL | |
| 金属丝 | 杭州宏通线缆有限公司&CABLE Co., Ltd. | 2UEW/155 | |
| 显微镜 | Aosvi | T2-3M180 | |
| 数值建模软件 | COMSOL | COMSOL Multiphysics 5.6 | |
| 聚二甲基硅氧烷（PDMS） | 陶氏化学公司 | SYLGAR 184 硅胶弹性体试剂盒 | 两部分（基础剂和固化剂） |
| 密封膜 | 康宁 | PM-996 | Parafilm |
| Si晶圆 | 苏州晶硅电子 & 技术有限公司 | ZK20220416-03 | 直径（mm）：50.8 ± 0.3 类型/取向：P/100 厚度（µ米）：525 ± 25 |
| 银导电漆 | 电子显微镜科学 | 12686-15 | |
| 步进电机 | 北京海杰佳创科技有限公司 | 57H B56L4-30DB | |
| 糖/赤藓醇模板金属模具 | 广东顺德摩罗机器人有限公司 | 该金属模具是一块5 mm厚的方形金属板，底部有一个2.5 mm深的平面方形凹槽。 | |
| 甲苯 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10022819 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
