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

Propusimos un nuevo método para fabricar sensores de presión competitivos flexibles con un rendimiento controlable. Se logra ajustando la fracción de masa del disolvente para controlar la porosidad de la capa dieléctrica. La optimización del sensor de presión competitivo se logra mediante un método de operación rentable y fácil que evita el uso de sofisticadas instalaciones de microfabricación.

Para fabricar la capa dieléctrica PDMS porosa, pesar el azúcar filtrado y el polvo de eritritol con una relación de masa de 20 a 1 y mezclarlos uniformemente agitando. Llene la mezcla en un molde de metal de eritritol de azúcar obtenido comercialmente y presione la superficie para compactar el relleno. Caliente la mezcla en un horno de convección a 135 grados centígrados durante dos horas.

Después de calentar, deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente antes de retirar el azúcar en trozos. Para fabricar la capa dieléctrica PDMS controlable por porosidad, pese cinco gramos de tolueno, cinco gramos de base PDMS y 0,5 gramos de agente de curado PDM en un tubo de centrífuga y revuelva la solución uniformemente. Centrifugar la solución a 875G durante 30 segundos a temperatura ambiente para eliminar las burbujas de aire.

Coloque la plantilla porosa cuadrada de azúcar-eritritol en una placa de Petri. Inserte cinta de doble cara como espaciadores debajo de las cuatro esquinas para levantar la plantilla de la superficie de la placa de Petri. Vierta la solución de tolueno PDMS en la plantilla e incline ligeramente el plato para llenar todos los huecos entre las partículas de azúcar.

Luego, coloque el plato en un desecador al vacío y desgasifique durante 20 minutos. Después de la desgasificación, transfiera el plato del desecador al horno a 90 grados centígrados durante 45 minutos para evaporar el tolueno y curar el PDMS líquido. A continuación, sumerja el PDMS curado incrustado en la plantilla porosa en agua desionizada.

Calentar en una placa caliente a 140 grados centígrados hasta que la plantilla de azúcar se disuelva completamente y limpie el PDMS poroso con agua desionizada. Para la fabricación de las capas flexibles de electrodos basadas en ECPC, primero, sintetice la tinta ECPC pesando 0,16 gramos de nanotubos de carbono, o CNT, y cuatro gramos de tolueno en un vaso de precipitados. Cubra el vaso de precipitados con una película de sellado para evitar la evaporación del disolvente y revuelva magnéticamente a 250 RPM durante 90 minutos.

Pesar dos gramos de PDMS base y dos gramos de tolueno en un vaso de precipitados, y colóquelo en un agitador magnético a 200 RPM durante una hora. Después de preparar ambas soluciones, mezcle la suspensión de tolueno CNT con la solución de tolueno base PDMS y cubra el vaso de precipitados con una película de sellado. Revuelva magnéticamente a 250 RPM durante dos horas.

Después de mezclar, destape el vaso de precipitados y agregue 0,2 gramos de agente de curado PDMS en la solución mezclada. Revuelva magnéticamente a 75 grados centígrados y 250 RPM durante una hora. Para raspar y recubrir los electrodos, pese el tolueno, la base PDMS y el agente de curado PDMS en un tubo de centrífuga con una relación de masa de 2 a 10 a 1 y agite la solución uniformemente.

Luego, centrifuga la solución a 875G durante 30 segundos a temperatura ambiente para eliminar las burbujas de aire. Vierta 1,3 gramos de solución de tolueno PDMS en un molde de metal de electrodo obtenido comercialmente con un patrón de electrodo en relieve. Coloque el molde en un desecador al vacío y desgasifique durante 10 minutos.

Luego, cure el PDMS en el molde en una placa caliente a 90 grados centígrados durante 15 minutos. Después de enfriar a temperatura ambiente, despegue la película PDMS estampada. Fije el lado plano de la película PDMS a una oblea de silicio.

Raspe la tinta de ECPC en el patrón del electrodo. Curar la tinta del ECPC en placa caliente a 90 grados centígrados durante 15 minutos. Para la unión y el embalaje de los sensores capacitivos blandos, conecte el cable metálico al electrodo.

Coloque pintura conductora de plata en el lugar de conexión para una buena conductividad y espere hasta que la pintura conductora de plata se seque. Deje caer la solución PDMS sobre la conexión para sellar completamente la pintura conductora de plata seca. Cure el PDMS en una placa caliente a 90 grados centígrados durante 15 minutos.

Después del curado, repita los pasos para conectar el cable para las capas superior e inferior del electrodo. Aplique una capa delgada de PDMS uniformemente sobre la película del electrodo como una capa de adhesión para la unión entre el electrodo y las capas dieléctricas. Luego, coloque la capa dieléctrica PDMS porosa fabricada sobre la capa de electrodo.

Cure el pegamento PDMS a 95 grados centígrados durante 10 minutos. Coloque una placa de Petri de vidrio sobre el PDMS poroso para garantizar un buen contacto entre las dos capas durante el calentamiento. Aplique una capa delgada de PDMS uniformemente sobre la otra capa de electrodo.

Luego, invierta la capa dieléctrica del electrodo unido y colóquela en la otra capa de electrodo único. Después de alinear los dos electrodos, termine la unión entre la capa PDMS porosa y la otra capa de electrodo. Para probar el rendimiento de detección, controle el motor paso a paso para que el indentor se mueva verticalmente hacia abajo por una distancia programada.

Registre la capacitancia y los datos de presión estándar aumentando la fuerza de carga con el mismo intervalo en cada ciclo de carga consecutivo hasta que la presión de carga alcance los 40 Newtons. Una vez más, controle el motor paso a paso y registre la capacitancia y los datos de presión estándar. Repita las pruebas de carga y descarga durante 2.500 ciclos mientras registra la capacitancia del dispositivo bajo prueba en función de la lectura de presión estándar.

Controle el indentor para presionar rápidamente y permanezca estable durante unos segundos antes de volver a la carga cero de Newton. Repita este procedimiento cinco veces y registre la capacitancia en función del tiempo. Las imágenes de microscopio óptico de las capas dieléctricas porosas de PDMS fabricadas con diferentes relaciones de masa de tolueno PDMS mostraron que el espesor de la pared del poro disminuyó con una relación de masa creciente de la solución de tolueno PDMS.

El análisis de simulación mostró que una mayor porosidad contribuyó a una mayor tensión de compresión, con una linealidad mejorada bajo la misma presión de compresión aplicada. La curva de respuesta a la presión de capacitancia de los sensores con capas dieléctricas PDMS porosas con diferentes relaciones de masa de tolueno PDMS exhibió diferente sensibilidad. En el rango de carga de presión de 0 a 10 kilopascales, el sensor con una relación de masa de tolueno PDMS uno a uno mostró una sensibilidad dos veces mayor que la del sensor con la relación de masa de tolueno PDMS de ocho a uno.

Tras el aumento de la presión, los poros de la capa dieléctrica se redujeron gradualmente de tamaño, disminuyendo la sensibilidad hasta que alcanzó el mismo nivel para todas las porosidades. Se muestra la respuesta capacitiva a cinco pruebas consecutivas de carga y descarga bajo la misma presión de carga de 10 kilopascales. Se encontró que el tiempo de respuesta de carga fue de 0,2 segundos.

Las pruebas cíclicas revelaron que el sensor capacitivo suave fabricado tenía una excelente repetibilidad después de 2.500 ciclos. La porosidad de la capa dieléctrica PDMS disminuirá a medida que aumente la relación de masa de tolueno PDMS, lo que afectará el rendimiento del sensor.