Articolo metodologico

Miglioramento della sensibilità dei sensori di pressione capacitivi morbidi utilizzando una tecnica di controllo della porosità basata sull'evaporazione del solvente

DOI:

10.3791/65143

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24 marzo 2023

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1State Key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University

In questo articolo

Sommario

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Viene presentato un metodo di fabbricazione semplice ed economico basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per ottimizzare le prestazioni di un sensore di pressione capacitivo morbido, che è reso possibile dal controllo della porosità nello strato dielettrico utilizzando diversi rapporti di massa della soluzione di stampaggio PDMS / toluene.

Abstract

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I sensori di pressione dolce svolgono un ruolo significativo nello sviluppo della sensazione tattile "uomo-macchina" nella robotica morbida e nelle interfacce tattili. In particolare, i sensori capacitivi con matrici polimeriche microstrutturate sono stati esplorati con notevole sforzo a causa della loro elevata sensibilità, ampia gamma di linearità e tempi di risposta rapidi. Tuttavia, il miglioramento delle prestazioni di rilevamento si basa spesso sulla progettazione strutturale dello strato dielettrico, che richiede sofisticate strutture di microfabbricazione. Questo articolo riporta un metodo semplice e a basso costo per fabbricare sensori di pressione capacitivi porosi con una sensibilità migliorata utilizzando il metodo basato sull'evaporazione del solvente per regolare la porosità. Il sensore è costituito da uno strato dielettrico poroso di polidimetilsilossano (PDMS) legato con elettrodi superiore e inferiore realizzati in compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC). Gli elettrodi sono stati preparati mediante liquame conduttivo PDMS drogato con nanotubi di carbonio (CNT) in pellicole PDMS modellate con stampi. Per ottimizzare la porosità dello strato dielettrico per migliorare le prestazioni di rilevamento, la soluzione PDMS è stata diluita con toluene di diverse frazioni di massa invece di filtrare o macinare l'agente formante i pori dello zucchero (PFA) in diverse dimensioni. L'evaporazione del solvente toluene ha permesso la rapida fabbricazione di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabili. È stato confermato che la sensibilità potrebbe essere aumentata di più di due volte quando il rapporto toluene / PDMS è stato aumentato da 1: 8 a 1: 1. La ricerca proposta in questo lavoro consente un metodo a basso costo per fabbricare pinze robotiche morbide bioniche completamente integrate con meccanorecettori sensoriali morbidi di parametri di sensori sintonizzabili.

Introduzione

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Negli ultimi anni, i sensori di pressione flessibili hanno attirato l'attenzione grazie alla loro indispensabile applicazione nella robotica morbida 1,2,3, nelle interfacce tattili "uomo-macchina" 4,5 e nel monitoraggio della salute 6,7,8. Generalmente, i meccanismi per il rilevamento della pressione includono piezoresistivo 1,4,7, piezoelettrico 2,6, capacitivo 2,3,9,10,11,12,13 e triboelettrico 8 sensori. Tra questi, i sensori di pressione capacitivi si distinguono come uno dei metodi più promettenti nel rilevamento tattile grazie alla loro alta sensibilità, basso limite di rilevamento (LOD), ecc.

Per migliorare le prestazioni di rilevamento, varie microstrutture come micropiramidi 2,9,14, micropilastri 15 e micropori 9,10,11,12,13,16,17 sono state introdotte nei sensori di pressione capacitivi flessibili e i metodi di fabbricazione sono stati ottimizzati per migliorare ulteriormente il rilevamento prestazioni di tali strutture. Tuttavia, la maggior parte di queste strutture richiede sofisticate strutture di microfabbricazione, il che aumenta significativamente i costi di produzione e le difficoltà operative. Ad esempio, come la microstruttura più comunemente utilizzata nei sensori di pressione morbida, le micropiramidi si basano su wafer di Si litograficamente definiti e incisi a umido come modello di stampaggio, che richiede attrezzature di precisione e un ambiente rigoroso per camere bianche 9,14. Pertanto, le strutture a micropori (strutture porose) che possono essere realizzate con semplici processi di fabbricazione e con materie prime a basso costo pur mantenendo elevate prestazioni di rilevamento hanno attirato recentemente una crescente attenzione 9,10,11,12,13,16,17 . Questo sarà discusso, insieme agli svantaggi della modifica del PFA e della sua quantità, come motivazione per l'utilizzo del nostro metodo di controllo della frazione.

Qui, questo lavoro propone un metodo semplice e a basso costo basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per fabbricare un sensore di pressione capacitivo flessibile poroso con porosità controllabile. Il processo di produzione completo comprende la fabbricazione dello strato dielettrico poroso PDMS, il rivestimento raschiante degli elettrodi e l'incollaggio di tre strati funzionali. In particolare, questo lavoro utilizza in modo innovativo una soluzione mista PDMS / toluene con un certo rapporto di massa per fabbricare lo strato dielettrico PDMS poroso basato sul modello di miscela zucchero / eritritolo. Nel frattempo, una dimensione uniforme delle particelle PFA garantisce una morfologia e una distribuzione uniformi dei pori; quindi, la porosità può essere controllata modificando il rapporto di massa PDMS/toluene. I risultati sperimentali mostrano che la sensibilità del sensore di pressione proposto può essere aumentata di oltre due volte aumentando il rapporto di massa PDMS/toluene da 1:8 a 1:1. La variazione dello spessore della parete dei micropori dovuta ai diversi rapporti di massa PDMS/toluene è confermata anche dalle immagini del microscopio ottico. Il sensore di pressione capacitivo morbido ottimizzato mostra prestazioni di rilevamento elevate con una sensibilità e un tempo di risposta rispettivamente del 3,47% kPa−1 e 0,2 s. Questo metodo consente di ottenere la fabbricazione rapida, a basso costo e facile da usare di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabile.

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Protocollo

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1. Fabbricazione del sensore di pressione capacitivo morbido con uno strato dielettrico PDMS poroso

  1. Produzione dello strato dielettrico poroso PDMS
    1. Preparare il modello poroso di zucchero / eritritolo seguendo i passaggi seguenti.
      1. Filtrare lo zucchero con setacci campione con aperture di 270 μm e 500 μm. Scegli lo zucchero con un diametro delle particelle nell'intervallo 270-500 μm.
        NOTA: Una dimensione delle particelle di zucchero più grande o più piccola è accettabile purché l'uniformità rientri nei limiti di tolleranza. Il diametro della particella di zucchero influenzerà la dimensione dei pori dello strato poroso PDMS prodotto in una fase successiva, ma non determinerà completamente la dimensione dei pori.
      2. Macinare l'eritritolo (vedi Tabella dei materiali) in polvere per garantire una miscelazione più uniforme con lo zucchero.
      3. Pesare una certa quantità di zucchero filtrato e polvere di eritritolo con un rapporto di massa di 20: 1. Agitare per mescolarli uniformemente.
      4. Riempire la miscela zucchero/eritritolo in uno stampo metallico zucchero/eritritolo ottenuto commercialmente (vedi Tabella dei materiali). Premere la superficie per rendere il riempitivo compatto.
        NOTA: Per garantire una facile sformatura nella fase successiva, uno strato di foglio di Al può essere inserito nello stampo prima dello zucchero / eritritolo.
      5. Riscaldare lo stampo con la miscela zucchero/eritritolo in forno a convezione a 135 °C per 2 ore, come mostrato nella figura 1A. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, estrarre lo zucchero in zolletta (cioè il modello poroso).
    2. Fabbricare lo strato dielettrico PDMS controllabile dalla porosità.
      1. Pesare 5 g di toluene, 5 g di base PDMS e 0,5 g di agente polimerizzante PDMS (vedere Tabella dei materiali) in una provetta da centrifuga (cioè, il rapporto di massa di base PDMS / toluene / agente di polimerizzazione è 10: 10: 10: 1). Mescolare la soluzione in modo uniforme.
        NOTA: Il rapporto di massa tra la soluzione di base PDMS e l'agente di polimerizzazione è fissato a 10: 1, mentre il rapporto di massa tra PDMS e toluene viene utilizzato per controllare la porosità dello strato dielettrico PDMS. La porosità diminuisce quando si aumenta la frazione PDMS. La porosità minima si ottiene quando non viene aggiunto toluene.
      2. Centrifugare la soluzione a 875 x g per 30 s a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.
        NOTA: se il volume della soluzione è elevato, la soluzione può essere preparata in un becher. Il trattamento centrifugo viene sostituito dal degasaggio sotto vuoto per 15 minuti.
      3. Posizionare la dima porosa quadrata zucchero/eritritolo ottenuta al punto 1.1.1 in una capsula di Petri. Inserire del nastro biadesivo come distanziatori sotto i quattro angoli per sollevare il modello dalla superficie della piastra di Petri.
        NOTA: il modello può anche essere posizionato su un wafer Si, ma questo metodo porterà a uno strato più spesso di PDMS sull'interfaccia tra il modello e il wafer Si, che potrebbe influire sulle prestazioni del sensore.
      4. Versare la soluzione PDMS/toluene sul modello e inclinare leggermente la capsula di Petri in modo che la soluzione possa riempire completamente tutti gli spazi vuoti tra le particelle di zucchero, come mostrato nella Figura 1B.
      5. Posizionare la capsula di Petri con la dima porosa riempita di soluzione PDMS/toluene in un essiccatore sottovuoto e degassare per 20 minuti.
      6. Trasferire la piastra di Petri dall'essiccatore sottovuoto nel forno a 90 °C per 45 minuti per far evaporare il toluene e polimerizzare il PDMS liquido.
      7. Immergere il PDMS polimerizzato incorporato nella dima porosa in acqua deionizzata (acqua DI), come mostrato nella Figura 1C. Riscaldare su una piastra calda a 140 °C fino a quando la sagoma di zucchero non si scioglie completamente. Pulire il PDMS poroso con acqua DI.
  2. Fabbricazione degli strati di elettrodi flessibili basati su ECPC
    1. Sintetizzare l'inchiostro ECPC.
      1. Pesare 0,16 g di CNT (diametro: 10-20 nm, lunghezza: 10-30 μm, vedi Tabella dei materiali) e 4 g di toluene in un becher e mescolare magneticamente a 250 giri/min per 1,5 ore. Nel frattempo, pesare 2 g di base PDMS e 2 g di toluene in un becher e mescolare magneticamente a 200 rpm per 1 ora. Coprire il becher con pellicola sigillante agitando per evitare l'evaporazione del solvente.
      2. Mescolare la sospensione CNT/toluene con la soluzione PDMS base/toluene e coprire il becher con una pellicola sigillante. Agitare magneticamente a 250 giri/min per 2 ore.
      3. Aggiungere 0,2 g di agente polimerizzante PDMS nella soluzione miscelata. Agitare magneticamente a 75 °C e 250 giri/min per 1 ora. Individuare il becher per l'evaporazione del solvente e la concentrazione della sospensione durante l'agitazione, come mostrato nella Figura 1D, E.
        NOTA: La durata dell'agitazione e del riscaldamento è regolabile. La viscosità della miscela aumenta con il tempo di agitazione, il che facilita la successiva operazione di rasatura del rivestimento. Tuttavia, la durata non deve essere troppo lunga per evitare che la soluzione PDMS si polimerizzi. Quando la miscela è concentrata in una viscosità conveniente per il rivestimento raschiato, il processo di sintesi dell'inchiostro ECPCs è terminato.
    2. Raschia gli elettrodi seguendo i passaggi seguenti.
      1. Pesare toluene, base PDMS e agente di polimerizzazione PDMS in una provetta da centrifuga con un rapporto di massa di 2:10:1. Mescolare la soluzione in modo uniforme.
      2. Centrifugare la soluzione a 875 x g per 30 s a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.
      3. Versare 1,3 g di soluzione PDMS/toluene in uno stampo metallico per elettrodi ottenuto commercialmente (vedere la tabella dei materiali) con un elettrodo in rilievo, come mostrato nella Figura 1F.
        NOTA: Il motivo in rilievo nella parte inferiore dello stampo ha uno spessore di 0,2 mm.
      4. Posizionare lo stampo in un essiccatore sottovuoto e degasare per 10 minuti.
      5. Polimerizzare il PDMS nello stampo su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti. Staccare il film PDMS modellato dopo il raffreddamento a temperatura ambiente.
      6. Attaccare il lato piatto del film PDMS su un wafer di Si (cioè, esporre il lato con il modello di elettrodi). Assicurarsi che non vi siano bolle d'aria tra il film PDMS e il wafer di Si.
      7. Raschiare l'inchiostro ECPCs preparato al punto 1.2.1 nel modello dell'elettrodo, come mostra la Figura 1G . Pulire l'inchiostro in eccesso con una salvietta priva di polvere imbevuta di alcool isopropilico (IPA).
      8. Polimerizzare l'inchiostro ECPCs su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti.
      9. Ripetere i passaggi 1.2.2.3-1.2.2.8 per fabbricare sia lo strato superiore che quello inferiore dell'elettrodo.
  3. Incollaggio e confezionamento dei sensori capacitivi morbidi
    1. Fissare il filo metallico (vedere la tabella dei materiali) all'elettrodo. Far cadere la vernice conduttiva argentata (vedere la tabella dei materiali) nella posizione di connessione per garantire una buona conduttività, come mostrato nella Figura 1H. Attendere che la vernice conduttiva d'argento si asciughi a temperatura ambiente.
    2. Rilasciare la soluzione PDMS liquida preparata al punto 1.2.2.1 sulla connessione per sigillare completamente la vernice conduttiva d'argento essiccata. Polimerizzare il PDMS su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti.
    3. Ripetere i passaggi 1.3.1-1.3.2 per collegare il filo per entrambi gli strati superiori e inferiori dell'elettrodo.
    4. Applicare uniformemente un sottile strato di PDMS liquido preparato al punto 1.2.2.1 sulla pellicola dell'elettrodo come strato di adesione per il legame tra lo strato dell'elettrodo e lo strato dielettrico.
    5. Posizionare lo strato dielettrico poroso PDMS fabbricato al punto 1.1.2 sullo strato dell'elettrodo.
    6. Polimerizzare la colla PDMS su una piastra calda a 95 °C per 10 minuti. Posizionare una capsula di Petri di vetro sul PDMS poroso per garantire un buon contatto tra i due strati durante il riscaldamento.
    7. Ripetere il passaggio 1.3.4 per l'altro strato di elettrodi. Invertire lo strato elettrodo-dielettrico incollato ottenuto al punto 1.3.6 e posizionarlo sull'altro strato di elettrodo singolo (cioè, per avere lo strato poroso PDMS a diretto contatto con lo strato dell'elettrodo). Assicurarsi che i due elettrodi siano rigorosamente allineati l'uno di fronte all'altro.
    8. Ripetere il passaggio 1.3.6 per completare il legame tra lo strato poroso PDMS e l'altro strato di elettrodi.
      NOTA: un'illustrazione del sensore finale è mostrata nella Figura 1I. Le illustrazioni della struttura e dei materiali del sensore sono mostrate nella Figura 1J.

2. Processo sperimentale di caratterizzazione delle prestazioni del sensore

  1. Configurazione del carico di pressione passo-passo e sistema di acquisizione dati
    1. Utilizzare un penetratore stampato in 3D con un'area di carico che è un cerchio di 2,5 cm di diametro per il carico di pressione (vedi Tabella dei materiali) del sensore in prova.
    2. Fissare il penetratore su uno stadio di movimento lineare verticale controllato da un motore passo-passo (vedi Tabella dei materiali) attraverso un sensore di pressione di trazione standard.
    3. Misurare la capacità del sensore di pressione capacitivo morbido con un misuratore LCR durante la registrazione dei dati di pressione standard utilizzando un dispositivo di acquisizione dati (DAQ). Collegare sia il misuratore LCR che il DAQ a un computer che esegue il programma di data-logging LabVIEW (vedere Tabella dei materiali).
      NOTA: le illustrazioni della configurazione sperimentale sono mostrate nella Figura 2. Una molla viene applicata tra il penetratore e il sensore di pressione di trazione standard, che converte lo spostamento verticale dello stadio mobile lineare in pressione di carico.
  2. Test delle prestazioni di rilevamento
    1. Controlla il motore passo-passo per spingere il penetratore a spostarsi verticalmente verso il basso di una distanza programmata. Registrare la capacità e i dati di pressione standard aumentando la forza di carico con lo stesso intervallo in ogni ciclo di carico consecutivo fino a quando la pressione di carico raggiunge 40 N (~80 kPa).
    2. Controllare il motore passo-passo per spingere il penetratore a salire verticalmente della stessa distanza dell'ultimo passaggio. Registrare la capacità e i dati di pressione standard dopo che il penetratore si è stabilizzato. Ripetere l'operazione diminuendo la forza di carico con lo stesso intervallo; in ogni ciclo di carico consecutivo, la pressione di carico scende a 0 N.
    3. Controlla il motore passo-passo per spingere il penetratore a spostarsi verticalmente verso il basso di una distanza programmata. Registrare la capacità e i dati di pressione standard. Ripetere i test di carico e scarico per 2.500 cicli registrando la capacità del dispositivo in prova (DUT) in funzione della lettura standard della pressione.
    4. Controllare il penetratore per premere rapidamente verso il basso e rimanere fermo per alcuni secondi prima di tornare al caricamento 0 N. Ripeti questa operazione cinque volte e registra la capacità in funzione del tempo.

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Risultati

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La fotografia del modello poroso di zucchero zolo/eritritolo è mostrata nella Figura 3A. La figura 3B mostra lo strato flessibile dell'elettrodo con un modello ECPCs rivestito di raschiatura. La figura 3C mostra il sensore di pressione capacitivo morbido con uno strato dielettrico poroso fabbricato con il metodo proposto. Quattro strati dielettrici porosi PDMS sono stati fabbricati sulla base di soluzioni PDMS / to...

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Discussione

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Questo lavoro propone un metodo semplice basato sull'evaporazione del solvente per controllare la porosità, e una serie di risultati sperimentali hanno dimostrato la sua fattibilità. Sebbene la struttura porosa sia stata ampiamente utilizzata nel sensore di pressione capacitivo flessibile, il controllo della porosità necessita ancora di un'ulteriore ottimizzazione. A differenza dei metodi esistenti per modificare la dimensione delle particelle del PFA 11,12,13,18,19 e il rapporto tra substrato polimerico e PFA

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China sotto Grant 62273304.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Stampante 3DZhejiang Qidi Technology Co., LtdX-MAX
Stampa 3D metarialiZhejiang Qidi Technology Co., LtdFilamento di stampa 3D PLA 1,75 mm
Nanotubi di carbonio (CNT)XFNANOXFM13
Acquisizione dati (DAQ)National InstrumentsUSB6002
Nastro biadesivoMinnesota Mining e Produzione (3M)3M VHB 4910di spessore 1 mm
Guangdong Shunde Molarobot Co., LtdQuesto stampo metallico è una piastra metallica rotonda con una scanalatura rotonda a fondo piatto e un modello di elettrodo goffrato di 0,2 mm di spessore al centro della scanalatura.
EritritoloShandong Sanyuan Biotechnology Co., Ltd.
Alcool isopropilico (IPA)Sinopharm reagente chimico Co., Ltd80109218
LabVIEWNational Instruments LabVIEW2019
Misuratore LCRKeysightEA4980AL
Filo metallicoHangzhou Hongtong WIRE& Fornitore verificato - CABLE Co., Ltd.2UEW/155
MicroscopioAosviT2-3M180
Software di modellazione numericaCOMSOLCOMSOL Multiphysics 5.6
Polidimetilsilossano (PDMS)Dow Chemical CompanySYLGAR 184 Kit di elastomeri siliconiciDue parti (base e agente indurente)
Pellicola sigillanteCorningPM-996parafilm
Si waferSuzhou Crystal Silicon Elettronica & Technology Co., LtdZK20220416-03Diametro (mm): 50,8 +/- 0,3
Tipo/Orientamento: P/100
Spessore (µ m): 525 +/- 25
Vernice conduttiva argentoMicroscopia elettronicaScienze 12686-15
Motore passo-passoPECHINO HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd57H B56L4-30DB
Stampo in metallo modello di zucchero/eritritoloGuangdong Shunde Molarobot Co., LtdQuesto stampo in metallo è una piastra metallica quadrata di 5 mm di spessore con una scanalatura quadrata a fondo piatto di 2,5 mm di profondità.
Reagente chimico TolueneSinopharm Co., Ltd10022819
Stampo metallico per elettrodi

Riferimenti

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