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

我们提出了一种制造性能可控的柔性竞争压力传感器的新方法。它是通过调节溶剂质量分数来控制介电层的孔隙率来实现的。优化竞争性压力传感器是通过一种经济高效且易于操作的方法实现的，该方法避免使用复杂的微细加工设施。

为了制造多孔PDMS介电层，称取质量比为20:1的过滤糖和赤藓糖醇粉末，并通过摇动将它们均匀混合。将混合物填充到商业获得的糖赤藓糖醇金属模具中，并按压表面以使填料致密。将混合物在 135 摄氏度的对流烤箱中加热两个小时。

加热后，让混合物在室温下冷却，然后取出块状板糖。为了制备孔隙率可控的PDMS介电层，在离心管中称取5克甲苯，5克PDMS碱和0.5克PDMs固化剂，搅拌均匀溶液。在室温下将溶液在875G下离心30秒以除去气泡。

将方形糖 - 赤藓糖醇多孔模板放入培养皿中。在四个角下方插入双面胶带作为垫片，以将模板从培养皿表面提起。将PDMS甲苯溶液倒入模板中，并稍微倾斜培养皿以填充糖颗粒之间的所有间隙。

然后，将培养皿放入真空干燥器中脱气 20 分钟。脱气后，将干燥器中的培养皿转移到90摄氏度的烤箱中45分钟，以蒸发甲苯并固化液体PDMS。接下来，将嵌入多孔模板中的固化PDMS浸入去离子水中。

在140摄氏度的热板上加热，直到糖模板完全溶解，然后用去离子水清洁多孔PDMS。为了制造基于ECPC的柔性电极层，首先，通过在烧杯中称取0.16克碳纳米管或CNT和4克甲苯来合成ECPC油墨。用密封膜覆盖烧杯以防止溶剂蒸发，并以 250 RPM 的磁力搅拌 90 分钟。

在烧杯中称取两克PDMS基料和两克甲苯，然后以200 RPM的速度放在磁力搅拌器上一小时。制备两种溶液后，将CNTs甲苯悬浮液与PDMS基甲苯溶液混合，并用密封膜覆盖烧杯。以 250 RPM 的磁力搅拌两小时。

混合后，揭开烧杯盖，在混合溶液中加入0.2克PDMS固化剂。在 75 摄氏度和 250 RPM 下磁力搅拌一小时。要刮擦电极，请在质量比为 2 至 10 比 1 的离心管中称取甲苯、PDMS 基和 PDMS 固化剂，并均匀搅拌溶液。

然后，在室温下将溶液在875G下离心30秒以除去气泡。将1.3克PDMS甲苯溶液倒入具有浮雕电极图案的商业获得的电极金属模具中。将模具放入真空干燥器中脱气10分钟。

然后，将模具中的PDMS在90摄氏度的热板上固化15分钟。在室温下冷却后，撕下图案化的PDMS薄膜。将PDMS薄膜的平坦面连接到硅晶圆上。

将 ECPC 墨水刮涂在电极图案中。将ECPC的墨水在90摄氏度的热板上固化15分钟。对于软电容传感器的粘接和封装，请将金属线连接到电极上。

在连接位置滴下银导电涂料以获得良好的导电性，然后等待银导电涂料干燥。将PDMS溶液滴到连接处，以完全密封干燥的银导电涂料。将PDMS在90摄氏度的热板上固化15分钟。

固化后，重复这些步骤以连接上下电极层的电线。将PDMS薄层均匀地涂在电极膜上，作为电极和介电层之间粘合的粘合层。然后，将制造的多孔PDMS介电层放在电极层上。

将PDMS胶水在95摄氏度下固化10分钟。将玻璃培养皿放在多孔PDMS上，以确保加热过程中两层之间的良好接触。将一层薄薄的PDMS均匀地涂在另一层电极上。

然后，反转键合电极介电层并将其放置在另一个单电极层上。对齐两个电极后，完成多孔PDMS层与另一个电极层之间的粘合。为了测试传感性能，控制步进电机以驱动压头垂直向下移动编程距离。

记录电容和标准压力数据，在每个连续的加载循环中以相同的间隔增加加载力，直到加载压力达到40牛顿。再次，控制步进电机并记录电容和标准压力数据。重复加载和卸载测试2， 500个循环，同时记录被测设备的电容作为标准压力读数的函数。

控制压头快速按下并保持稳定几秒钟，然后返回到零牛顿负载。重复此过程五次，并将电容记录为时间的函数。不同PDMS甲苯质量比制备的多孔PDMS介电层的光学显微镜图像显示，随着PDMS甲苯溶液质量比的增加，孔壁厚度减小。

仿真分析表明，在相同的压缩压力下，孔隙率越高，压缩应变越大，线性越好。不同PDMS质量比多孔PDMS介电层传感器的电容压力响应曲线表现出不同的灵敏度。在0-10 kPa的压力载荷范围内，1:1的PDMS甲苯质量比传感器的灵敏度比8:1的PDMS甲苯传感器高2倍。

压力增加后，介电层的孔径逐渐减小，灵敏度降低，直到所有孔隙率达到相同的水平。显示了在 10 kPascal 的相同负载压力下对五次连续加载、卸载测试的电容响应。发现加载响应时间为 0.2 秒。

循环测试表明，所制备的软电容传感器在2， 500次循环后具有优异的重复性。随着PDMS甲苯质量比的增加，PDMS介电层的孔隙率会降低，这将影响传感器的性能。