Empfindlichkeitssteigerung von weich-kapazitiven Drucksensoren unter Verwendung einer lösungsmittelbasierten Porositätskontrolltechnik

Wir schlugen eine neue Methode zur Herstellung eines flexiblen Wettbewerbsdrucksensors mit kontrollierbarer Leistung vor. Dies wird durch Einstellen des Lösungsmittelmassenanteils erreicht, um die Porosität der dielektrischen Schicht zu steuern. Die Optimierung des Wettbewerbsdrucksensors wird durch eine kosteneffiziente und einfache Betriebsmethode erreicht, die den Einsatz ausgeklügelter Mikrofabrikationsanlagen vermeidet.

Um die poröse dielektrische PDMS-Schicht herzustellen, wiegen Sie Filterzucker und Erythritpulver mit einem Massenverhältnis von 20 zu 1 ab und mischen Sie sie gleichmäßig durch Schütteln. Füllen Sie die Mischung in eine handelsübliche Zuckererythrit-Metallform und drücken Sie die Oberfläche an, um den Füllstoff kompakt zu machen. Die Mischung im Umluftofen bei 135 Grad Celsius zwei Stunden lang erhitzen.

Lassen Sie die Mischung nach dem Erhitzen bei Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie den Würfelzucker entfernen. Um die porositätskontrollierbare dielektrische PDMS-Schicht herzustellen, wiegen Sie fünf Gramm Toluol, fünf Gramm PDMS-Base und 0,5 Gramm PDM-Härter in einem Zentrifugenröhrchen ab und rühren Sie die Lösung gleichmäßig um. Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 G für 30 Sekunden bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.

Legen Sie die quadratische poröse Zucker-Erythrit-Schablone in eine Petrischale. Legen Sie doppelseitiges Klebeband als Abstandshalter unter die vier Ecken, um die Schablone von der Oberfläche der Petrischale abzuheben. Gießen Sie die PDMS-Toluollösung in die Schablone und neigen Sie die Schale leicht, um alle Lücken zwischen den Zuckerpartikeln zu füllen.

Stellen Sie dann die Schüssel in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 20 Minuten lang. Nach dem Entgasen die Schale aus dem Exsikkator für 45 Minuten bei 90 Grad Celsius in den Ofen geben, um das Toluol zu verdampfen und das flüssige PDMS auszuhärten. Als nächstes tauchen Sie das ausgehärtete PDMS, das in die poröse Schablone eingebettet ist, in deionisiertes Wasser.

Auf einer heißen Platte bei 140 Grad Celsius erhitzen, bis sich die Zuckerschablone vollständig aufgelöst hat, und das poröse PDMS mit deionisiertem Wasser reinigen. Für die Herstellung der flexiblen Elektrodenschichten auf Basis von ECPCs synthetisiert man zunächst die Tinte des ECPC, indem man 0,16 Gramm Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und vier Gramm Toluol in einem Becherglas wiegt. Decken Sie das Becherglas mit einer Dichtungsfolie ab, um eine Verdunstung des Lösungsmittels zu verhindern, und rühren Sie 90 Minuten lang magnetisch bei 250 U/min.

Wiegen Sie zwei Gramm PDMS-Base und zwei Gramm Toluol in einem Becherglas ab und stellen Sie es eine Stunde lang auf einen Magnetrührer bei 200 U/min. Nach der Herstellung beider Lösungen werden die CNTs-Toluol-Suspension mit der PDMS-Basis-Toluollösung gemischt und das Becherglas mit einer Siegelfolie abgedeckt. Zwei Stunden lang bei 250 U/min magnetisch rühren.

Decken Sie nach dem Mischen das Becherglas ab und geben Sie 0,2 Gramm PDMS-Härter in die Mischlösung. Eine Stunde lang bei 75 Grad Celsius und 250 U/min magnetisch rühren. Um die Elektroden zu schaben, wiegen Sie Toluol, PDMS-Base und PDMS-Härter in einem Zentrifugenröhrchen mit einem Massenverhältnis von 2 bis 10 zu 1 ab und rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.

Zentrifugieren Sie dann die Lösung bei 875 G für 30 Sekunden bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen. Gießen Sie 1,3 Gramm PDMS-Toluollösung in eine kommerziell erhältliche Elektrodenmetallform mit einem geprägten Elektrodenmuster. Legen Sie die Form in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 10 Minuten lang.

Anschließend härten Sie das PDMS in der Form auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius für 15 Minuten aus. Nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur die gemusterte PDMS-Folie abziehen. Befestigen Sie die flache Seite der PDMS-Folie auf einem Siliziumwafer.

Kratzen Sie die ECPC-Tinte in das Elektrodenmuster ein. Härten Sie die Tinte des ECPC 15 Minuten lang auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius aus. Zum Verkleben und Verpacken der weich-kapazitiven Sensoren befestigen Sie den Metalldraht an der Elektrode.

Lassen Sie silberleitfähige Farbe auf die Verbindungsstelle fallen, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten, und warten Sie, bis die silberne leitfähige Farbe getrocknet ist. Lassen Sie die PDMS-Lösung auf den Anschluss fallen, um die getrocknete silberleitfähige Farbe vollständig zu versiegeln. Das PDMS auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius 15 Minuten aushärten lassen.

Wiederholen Sie nach dem Aushärten die Schritte, um den Draht für die obere und untere Elektrodenschicht zu verbinden. Tragen Sie eine dünne Schicht PDMS gleichmäßig auf die Elektrodenfolie als Haftschicht für die Verbindung zwischen Elektrode und dielektrischen Schichten auf. Platzieren Sie dann die hergestellte poröse PDMS-Dielektrikumsschicht auf der Elektrodenschicht.

Härten Sie den PDMS-Kleber bei 95 Grad Celsius 10 Minuten lang aus. Stellen Sie eine Petrischale aus Glas auf das poröse PDMS, um einen guten Kontakt zwischen den beiden Schichten während des Erhitzens zu gewährleisten. Tragen Sie eine dünne Schicht PDMS gleichmäßig auf die andere Elektrodenschicht auf.

Kehren Sie dann die dielektrische Schicht der geklebten Elektrode um und legen Sie sie auf die andere einzelne Elektrodenschicht. Nachdem Sie die beiden Elektroden ausgerichtet haben, beenden Sie die Verbindung zwischen der porösen PDMS-Schicht und der anderen Elektrodenschicht. Um die Erfassungsleistung zu testen, steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt.

Zeichnen Sie die Kapazitäts- und Standarddruckdaten auf, indem Sie die Belastungskraft in jedem aufeinanderfolgenden Belastungszyklus mit dem gleichen Intervall erhöhen, bis der Belastungsdruck 40 Newton erreicht. Steuern Sie auch hier den Schrittmotor und zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf. Wiederholen Sie die Be- und Entladetests für 2.500 Zyklen, während Sie die Kapazität des Prüflings in Abhängigkeit vom Standarddruckwert aufzeichnen.

Kontrollieren Sie den Eindringkörper, um ihn schnell nach unten zu drücken und einige Sekunden lang ruhig zu bleiben, bevor Sie zu einer Newton-Belastung von Null zurückkehren. Wiederholen Sie diesen Vorgang fünfmal und notieren Sie die Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit. Lichtmikroskopische Aufnahmen der porösen PDMS-Dielektrikumsschichten, die mit unterschiedlichen PDMS-Toluol-Massenverhältnissen hergestellt wurden, zeigten, dass die Porenwanddicke mit zunehmendem Massenverhältnis der PDMS-Toluollösung abnahm.

Die Simulationsanalyse zeigte, dass eine höhere Porosität zu einer größeren Druckdehnung mit verbesserter Linearität bei gleichem Druckdruck beitrug. Die kapazitive Druckantwortkurve der Sensoren mit porösen dielektrischen PDMS-Schichten mit unterschiedlichen PDMS-Toluol-Massenverhältnissen zeigte eine unterschiedliche Empfindlichkeit. Im Druckbelastungsbereich von 0 bis 10 Kilopascal zeigte der Sensor mit einem PDMS-Toluol-Massenverhältnis von eins zu eins eine doppelt so hohe Empfindlichkeit wie der Sensor mit dem Acht-zu-Eins-Toluol-Massenverhältnis.

Bei erhöhtem Druck verkleinerten sich die Poren der dielektrischen Schicht allmählich und verringerten die Empfindlichkeit, bis sie für alle Porositäten das gleiche Niveau erreichte. Die kapazitive Reaktion auf fünf aufeinanderfolgende Be- und Entladeversuche bei gleichem Lastdruck von 10 Kilopascal wird gezeigt. Die Reaktionszeit des Ladens betrug 0,2 Sekunden.

Die zyklischen Tests ergaben, dass der weich-kapazitive Sensor nach 2.500 Zyklen eine hervorragende Wiederholbarkeit aufwies. Die Porosität der dielektrischen PDMS-Schicht nimmt mit zunehmendem PDMS-Toluol-Massenverhältnis ab, was sich auf die Sensorleistung auswirkt.