Mejora de la sensibilidad de los sensores de presión capacitivos blandos mediante una técnica de control de porosidad basada en la evaporación de disolventes

Resumen

Se presenta un método de fabricación simple y rentable basado en la técnica de evaporación de solvente para optimizar el rendimiento de un sensor de presión capacitiva suave, que está habilitado por el control de porosidad en la capa dieléctrica utilizando diferentes relaciones de masa de la solución de moldeo PDMS / tolueno.

Resumen

Los sensores de presión suave juegan un papel importante en el desarrollo de la sensación táctil "hombre-máquina" en robótica blanda e interfaces hápticas. Específicamente, los sensores capacitivos con matrices de polímeros microestructurados se han explorado con considerable esfuerzo debido a su alta sensibilidad, amplio rango de linealidad y rápido tiempo de respuesta. Sin embargo, la mejora del rendimiento de detección a menudo se basa en el diseño estructural de la capa dieléctrica, que requiere sofisticadas instalaciones de microfabricación. Este artículo informa sobre un método simple y de bajo costo para fabricar sensores de presión capacitiva porosa con sensibilidad mejorada utilizando el método basado en evaporación de solventes para ajustar la porosidad. El sensor consiste en una capa dieléctrica de polidimetilsiloxano poroso (PDMS) unida con electrodos superiores e inferiores hechos de compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC). Los electrodos se prepararon mediante una suspensión conductora de PDMS dopada con nanotubos de carbono (CNT) con recubrimiento de raspado en películas PDMS con patrones de molde. Para optimizar la porosidad de la capa dieléctrica para mejorar el rendimiento de detección, la solución PDMS se diluyó con tolueno de diferentes fracciones de masa en lugar de filtrar o moler el agente formador de poros de azúcar (PFA) en diferentes tamaños. La evaporación del disolvente de tolueno permitió la fabricación rápida de una capa dieléctrica porosa con porosidades controlables. Se confirmó que la sensibilidad podría mejorarse más dos veces cuando la relación tolueno / PDMS se incrementó de 1: 8 a 1: 1. La investigación propuesta en este trabajo permite un método de bajo costo para fabricar pinzas robóticas blandas biónicas totalmente integradas con mecanorreceptores sensoriales suaves de parámetros de sensores sintonizables.

Introducción

En los últimos años, los sensores de presión flexibles han llamado la atención debido a su aplicación indispensable en robótica blanda ^1,2,3, interfaces hápticas "hombre-máquina" ^4,5 y monitoreo de salud 6,7,8. En general, los mecanismos para la detección de presión incluyen piezorresistivo 1,4,7, piezoeléctrico ^2,6, capacitivo

Protocolo

1. Fabricación del sensor de presión capacitivo suave con una capa dieléctrica PDMS porosa

1. Fabricación de la capa dieléctrica PDMS porosa
   1. Prepare la plantilla porosa de azúcar/eritritol siguiendo los pasos a continuación.
      1. Filtrar el azúcar con tamices de muestra con aberturas de 270 μm y 500 μm. Elija azúcar con un diámetro de partícula en el rango de 270-500 μm.
         NOTA: Un tamaño de partícula de azúcar más grande o más pequeño también es aceptable siempre que la uniformidad esté dentro de los límites de tolerancia. El diámetro de la partícula de azúcar afectará el tamaño de poro de la capa porosa de PDMS fabricada en un paso ....

Resultados

La fotografía de la plantilla porosa de azúcar en grumos/eritritol se muestra en la Figura 3A. La Figura 3B muestra la capa flexible de electrodos con un patrón de ECPC recubierto de raspado. La Figura 3C muestra el sensor de presión capacitivo suave con una capa dieléctrica porosa fabricada con el método propuesto. Se fabricaron cuatro capas dieléctricas de PDMS porosas basadas en soluciones PDMS/tolueno con difer.......

Discusión

Este trabajo propone un método sencillo basado en la evaporación de disolventes para controlar la porosidad, y una serie de resultados experimentales han demostrado su viabilidad. Aunque la estructura porosa se ha utilizado ampliamente en el sensor de presión capacitivo flexible, el control de porosidad aún necesita una mayor optimización. A diferencia de los métodos existentes para cambiar el tamaño de partícula del PFA 11,12,13,18,19 y la proporción de sustrato polimérico a PFA

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Impresora 3D	Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd	X-MAX
Métodos de impresión 3D	Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd	Filamento de impresión 3D PLA 1,75 mm
Nanotubos de carbono (CNTs)	XFNANO	XFM13
Adquisición de datos (DAQ)	National Instruments	USB6002
Cinta de doble cara	Minnesota Minería y Fabricación (3M)	3M VHB 4910
Molde de metal de electrodo	de espesor Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd		Este molde de metal es una placa de metal redonda con una ranura redonda de fondo plano y un patrón de electrodo en relieve de 0,2 mm de espesor en el medio de la ranura.
Eritritol	Shandong Sanyuan Biotechnology Co., Ltd.
Alcohol isopropílico (IPA)	Sinopharm reactivo químico Co., Ltd	80109218
LabVIEW	National Instruments	LabVIEW 2019
LCR metro	Keysight	EA4980AL
Alambre metálico	Hangzhou Hongtong WIRE& CABLE Co., Ltd.	2UEW/155
Microscopio	Aosvi	T2-3M180
Software de modelado numérico	COMSOL	COMSOL Multiphysics 5.6
Polidimetilsiloxano (PDMS)	Dow Chemical Company	SYLGAR 184 Kit de elastómero de silicona	Dos partes (base y agente de curado)
Película de sellado	Corning	PM-996	parafilm
Oblea	de SiSuzhou Cristal Silicio Electrónico & Tecnología Co.,Ltd	ZK20220416-03	Diámetro (mm): 50.8 +/- 0.3 Tipo/Orientación: P/100 Espesor (µ m): 525 +/- 25
Pintura conductora de plata	Ciencias de la microscopía electrónica	12686-15
Motor paso a paso	BEIJING HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd	57H B56L4-30DB
Molde de metal de plantilla de azúcar/eritritol	Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd		Este molde de metal es una placa de metal cuadrada de 5 mm de espesor con una ranura cuadrada de fondo plano de 2,5 mm de profundidad.
Tolueno	Sinopharm reactivo químico Co., Ltd	10022819

de 1 mm