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

Abbiamo proposto un nuovo metodo per fabbricare sensori di pressione competitivi flessibili con prestazioni controllabili. Si ottiene regolando la frazione di massa del solvente per controllare la porosità dello strato dielettrico. L'ottimizzazione del sensore di pressione competitivo è ottenuta da un metodo operativo economico e semplice che evita l'utilizzo di sofisticati impianti di microfabbricazione.

Per produrre lo strato dielettrico poroso PDMS, pesare lo zucchero filtrato e la polvere di eritritolo con un rapporto di massa di 20 a 1 e mescolarli uniformemente agitando. Riempire la miscela in uno stampo metallico di zucchero eritritolo ottenuto commercialmente e premere la superficie per rendere il riempitivo compatto. Riscaldare la miscela in un forno a convezione a 135 gradi Celsius per due ore.

Dopo il riscaldamento, lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente prima di rimuovere la zolletta di zucchero piatto. Per fabbricare lo strato dielettrico PDMS controllabile dalla porosità, pesare cinque grammi di toluene, cinque grammi di base PDMS e 0,5 grammi di agente polimerizzante PDM in un tubo di centrifuga e mescolare la soluzione in modo uniforme. Centrifugare la soluzione a 875G per 30 secondi a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.

Posizionare il modello poroso quadrato zucchero-eritritolo 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. Versare la soluzione di toluene PDMS nella dima e inclinare leggermente il piatto per riempire tutti gli spazi vuoti tra le particelle di zucchero.

Quindi, posizionare il piatto in un essiccatore sottovuoto e degasare per 20 minuti. Dopo il degasaggio, trasferire la teglia dall'essiccatore nel forno a 90 gradi Celsius per 45 minuti per far evaporare il toluene e polimerizzare il PDMS liquido. Quindi, immergere il PDMS polimerizzato incorporato nella dima porosa in acqua deionizzata.

Riscaldare su una piastra calda a 140 gradi Celsius fino a quando la sagoma di zucchero si scioglie completamente e pulire il PDMS poroso con acqua deionizzata. Per la fabbricazione degli strati di elettrodi flessibili basati su ECPC, in primo luogo, sintetizzare l'inchiostro ECPC pesando 0,16 grammi di nanotubi di carbonio, o CNT, e quattro grammi di toluene in un becher. Coprire il becher con pellicola sigillante per evitare l'evaporazione del solvente e agitare magneticamente a 250 RPM per 90 minuti.

Pesare due grammi di base PDMS e due grammi di toluene in un becher e posizionare su un agitatore magnetico a 200 RPM per un'ora. Dopo aver preparato entrambe le soluzioni, mescolare la sospensione di toluene CNT con la soluzione di toluene base PDMS e coprire il becher con una pellicola sigillante. Mescolare magneticamente a 250 RPM per due ore.

Dopo la miscelazione, scoprire il becher e aggiungere 0,2 grammi di agente polimerizzante PDMS nella soluzione miscelata. Mescolare magneticamente a 75 gradi Celsius e 250 RPM per un'ora. Per raschiare gli elettrodi, pesare il toluene, la base PDMS e l'agente di polimerizzazione PDMS in una provetta da centrifuga con un rapporto di massa da 2 a 10 a 1 e mescolare uniformemente la soluzione.

Quindi, centrifugare la soluzione a 875G per 30 secondi a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria. Versare 1,3 grammi di soluzione di toluene PDMS in uno stampo metallico per elettrodi ottenuto commercialmente con un motivo a elettrodi in rilievo. Mettere lo stampo in un essiccatore sottovuoto e degasare per 10 minuti.

Quindi, polimerizzare il PDMS nello stampo su una piastra calda a 90 gradi Celsius per 15 minuti. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, staccare la pellicola PDMS modellata. Fissare il lato piatto della pellicola PDMS su un wafer di silicio.

Raschia l'inchiostro ECPCs nel modello dell'elettrodo. Polimerizzare l'inchiostro ECPC su piastra calda a 90 gradi Celsius per 15 minuti. Per l'incollaggio e il confezionamento dei sensori capacitivi morbidi, collegare il filo metallico all'elettrodo.

Far cadere la vernice conduttiva d'argento nella posizione di connessione per una buona conduttività e attendere che la vernice conduttiva d'argento si asciughi. Rilasciare la soluzione PDMS sulla connessione per sigillare completamente la vernice conduttiva d'argento essiccata. Polimerizzare il PDMS su una piastra calda a 90 gradi Celsius per 15 minuti.

Dopo la polimerizzazione, ripetere i passaggi per collegare il filo per gli strati superiori e inferiori dell'elettrodo. Applicare uniformemente un sottile strato di PDMS sul film dell'elettrodo come strato di adesione per il legame tra l'elettrodo e gli strati dielettrici. Quindi, posizionare lo strato dielettrico PDMS poroso fabbricato sullo strato dell'elettrodo.

Polimerizzare la colla PDMS a 95 gradi Celsius 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. Applicare uniformemente uno strato sottile di PDMS sull'altro strato di elettrodi.

Quindi, invertire lo strato dielettrico dell'elettrodo legato e posizionarlo sull'altro strato di elettrodo singolo. Dopo aver allineato i due elettrodi, completare il legame tra lo strato poroso PDMS e l'altro strato di elettrodi. Per testare le prestazioni di rilevamento, controllare il motore passo-passo per guidare il rientrante 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 i 40 Newton. Anche in questo caso, controllare il motore passo-passo e 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 in funzione della lettura standard della pressione.

Controllare l'indentatore per premere rapidamente verso il basso e rimanere fermo per alcuni secondi prima di tornare al carico Newton zero. Ripetere questa procedura cinque volte e registrare la capacità in funzione del tempo. Le immagini al microscopio ottico degli strati dielettrici porosi PDMS fabbricati con diversi rapporti di massa del toluene PDMS hanno mostrato che lo spessore della parete dei pori diminuiva con l'aumentare del rapporto di massa della soluzione di toluene PDMS.

L'analisi di simulazione ha mostrato che una maggiore porosità ha contribuito a una maggiore deformazione di compressione, con una migliore linearità sotto la stessa pressione di compressione applicata. La curva di risposta alla pressione di capacità dei sensori con strati dielettrici porosi PDMS con diversi rapporti di massa PDMS toluene ha mostrato sensibilità diverse. Nell'intervallo di carico di pressione da 0 a 10 kilopascal, il sensore con un rapporto di massa di toluene PDMS di uno a uno ha mostrato una sensibilità due volte superiore rispetto a quella del sensore con un rapporto di massa di toluene PDMS di otto a uno.

All'aumentare della pressione, i pori dello strato dielettrico si sono gradualmente ridotti di dimensioni, diminuendo la sensibilità fino a raggiungere lo stesso livello per tutte le porosità. Viene mostrata la risposta capacitiva a cinque prove consecutive di carico e scarico sotto la stessa pressione di carico di 10 kilopascal. Il tempo di risposta del caricamento è risultato essere di 0,2 secondi.

I test ciclici hanno rivelato che il sensore capacitivo morbido fabbricato aveva un'eccellente ripetibilità dopo 2.500 cicli. La porosità dello strato dielettrico PDMS diminuirà all'aumentare del rapporto di massa del toluene PDMS, il che influirà sulle prestazioni del sensore.