Amélioration de la sensibilité de capteurs de pression capacitifs souples à l’aide d’une technique de contrôle de porosité basée sur l’évaporation de solvant

Nous avons proposé une nouvelle méthode pour fabriquer un capteur de pression compétitif flexible avec des performances contrôlables. Il est accompli en ajustant la fraction massique du solvant pour contrôler la porosité de la couche diélectrique. L’optimisation du capteur de pression concurrentiel est réalisée par une méthode d’utilisation rentable et facile qui évite d’utiliser des installations de microfabrication sophistiquées.

Pour fabriquer la couche diélectrique PDMS poreuse, peser le sucre filtré et la poudre d’érythritol avec un rapport massique de 20 à 1 et les mélanger uniformément en agitant le coup. Remplissez le mélange dans un moule métallique en érythritol de sucre obtenu commercialement et appuyez sur la surface pour rendre la charge compacte. Chauffer le mélange dans un four à convection à 135 degrés Celsius pendant deux heures.

Après chauffage, laisser refroidir le mélange à température ambiante avant d’enlever le sucre en plaque. Pour fabriquer la couche diélectrique PDMS contrôlable par porosité, peser cinq grammes de toluène, cinq grammes de base PDMS et 0,5 gramme d’agent de durcissement PDM dans un tube centrifuge et agiter la solution uniformément. Centrifuger la solution à 875G pendant 30 secondes à température ambiante pour éliminer les bulles d’air.

Placer le gabarit poreux sucre-érythritol carré dans une boîte de Pétri. Insérez du ruban adhésif double face comme entretoises sous les quatre coins pour soulever le gabarit de la surface de la boîte de Pétri. Versez la solution de toluène PDMS dans le gabarit et inclinez légèrement le plat pour combler tous les espaces entre les particules de sucre.

Ensuite, placez le plat dans un dessiccateur sous vide et dégazez pendant 20 minutes. Après le dégazage, transférer la capsule du dessiccateur dans le four à 90 degrés Celsius pendant 45 minutes pour évaporer le toluène et durcir le PDMS liquide. Ensuite, immergez le PDMS durci intégré dans le gabarit poreux dans de l’eau désionisée.

Chauffer sur une plaque chauffante à 140 degrés Celsius jusqu’à ce que la matrice de sucre se dissolve complètement et nettoyer le PDMS poreux avec de l’eau désionisée. Pour la fabrication des couches d’électrodes flexibles à base d’ECPC, synthétisez d’abord l’encre ECPC en pesant 0,16 gramme de nanotubes de carbone, ou NTC, et quatre grammes de toluène dans un bécher. Couvrir le bécher d’un film d’étanchéité pour empêcher l’évaporation du solvant et agiter magnétiquement à 250 tr / min pendant 90 minutes.

Peser deux grammes de base PDMS et deux grammes de toluène dans un bécher, et placer sur un agitateur magnétique à 200 tr/min pendant une heure. Après avoir préparé les deux solutions, mélanger la suspension de toluène CNT avec la solution de toluène de base PDMS et couvrir le bécher d’un film d’étanchéité. Remuer magnétiquement à 250 tr/min pendant deux heures.

Après mélange, découvrir le bécher et ajouter 0,2 gramme d’agent de durcissement PDMS dans la solution mélangée. Remuer magnétiquement à 75 degrés Celsius et 250 tr / min pendant une heure. Pour gratter les électrodes, peser le toluène, la base PDMS et l’agent de durcissement PDMS dans un tube centrifuge avec un rapport massique de 2 à 10 pour 1 et agiter la solution uniformément.

Ensuite, centrifuger la solution à 875G pendant 30 secondes à température ambiante pour éliminer les bulles d’air. Versez 1,3 gramme de solution de toluène PDMS dans un moule métallique à électrode obtenu commercialement avec un motif d’électrode gaufré. Placez le moule dans un dessiccateur sous vide et dégazez pendant 10 minutes.

Ensuite, durcissez le PDMS dans le moule sur une plaque chauffante à 90 degrés Celsius pendant 15 minutes. Après refroidissement à température ambiante, décollez le film PDMS à motifs. Fixez le côté plat du film PDMS sur une plaquette de silicium.

Grattez l’encre ECPC dans le motif d’électrode. Faites durcir l’encre de l’ECPC sur plaque chauffante à 90 degrés Celsius pendant 15 minutes. Pour le collage et l’emballage des capteurs capacitifs souples, fixez le fil métallique à l’électrode.

Déposez la peinture conductrice d’argent à l’emplacement de connexion pour une bonne conductivité et attendez que la peinture conductrice d’argent sèche. Déposez la solution PDMS sur la connexion pour sceller complètement la peinture conductrice d’argent séchée. Durcissez le PDMS sur une plaque chauffante à 90 degrés Celsius pendant 15 minutes.

Après le durcissement, répétez les étapes pour connecter le fil pour les couches supérieure et inférieure de l’électrode. Appliquez uniformément une fine couche de PDMS sur le film d’électrode en tant que couche d’adhérence pour la liaison entre l’électrode et les couches diélectriques. Ensuite, placez la couche diélectrique PDMS poreuse fabriquée sur la couche d’électrode.

Faites durcir la colle PDMS à 95 degrés Celsius pendant 10 minutes. Placez une boîte de Petri en verre sur le PDMS poreux pour assurer un bon contact entre les deux couches pendant le chauffage. Appliquez uniformément une fine couche de PDMS sur l’autre couche d’électrode.

Ensuite, inversez la couche diélectrique de l’électrode liée et placez-la sur l’autre couche d’électrode unique. Après avoir aligné les deux électrodes, terminez la liaison entre la couche PDMS poreuse et l’autre couche d’électrodes. Pour tester les performances de détection, contrôlez le moteur pas à pas pour entraîner le pénétrateur à descendre verticalement d’une distance programmée.

Enregistrer la capacité et les données de pression standard en augmentant la force de charge avec le même intervalle dans chaque cycle de charge consécutif jusqu’à ce que la pression de charge atteigne 40 Newtons. Encore une fois, contrôlez le moteur pas à pas et enregistrez la capacité et les données de pression standard. Répéter les essais de chargement et de déchargement pendant 2 500 cycles tout en enregistrant la capacité de l’appareil soumis à l’essai en fonction de la lecture de pression standard.

Contrôlez l’indentation pour appuyer rapidement et rester stable pendant quelques secondes avant de revenir à zéro chargement Newton. Répétez cette procédure cinq fois et notez la capacité en fonction du temps. Les images au microscope optique des couches diélectriques poreuses du PDMS fabriquées avec différents rapports de masse de toluène PDMS ont montré que l’épaisseur de la paroi interstitielle diminuait avec l’augmentation du rapport massique de la solution de toluène PDMS.

L’analyse de simulation a montré qu’une porosité plus élevée contribuait à une plus grande contrainte de compression, avec une linéarité améliorée sous la même pression de compression appliquée. La courbe de réponse à la pression de capacité des capteurs avec des couches diélectriques PDMS poreuses avec différents rapports de masse de toluène PDMS présentait une sensibilité différente. Dans la plage de charge de pression de 0 à 10 kilopascals, le capteur avec un rapport de masse de toluène PDMS un pour un présentait une sensibilité deux fois plus élevée que celle du capteur avec le rapport de masse de toluène PDMS de huit pour un.

Lors de l’augmentation de la pression, les pores de la couche diélectrique ont progressivement diminué en taille, diminuant la sensibilité jusqu’à ce qu’elle atteigne le même niveau pour toutes les porosités. La réponse capacitive à cinq essais consécutifs de chargement, de déchargement sous la même pression de charge de 10 kilopascals est indiquée. Le temps de réponse du chargement a été de 0,2 seconde.

Les tests cycliques ont révélé que le capteur capacitif souple tel que fabriqué avait une excellente répétabilité après 2 500 cycles. La porosité de la couche diélectrique PDMS diminuera à mesure que le rapport massique du toluène PDMS augmentera, ce qui affectera les performances du capteur.