Name: Miglioramento della sensibilità dei sensori di pressione capacitivi morbidi utilizzando una tecnica di controllo della porosità basata sullevaporazione del solvente (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T14:40:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Scopri un metodo economico per fabbricare sensori di pressione capacitivi flessibili con prestazioni controllabili mediante regolazione della porosità dello strato dielettrico. Questa tecnica semplice migliora la sensibilità del sensore senza richiedere attrezzature microfabbricazione sofisticate.

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

1. Fabbricazione del sensore di pressione capacitivo morbido con uno strato dielettrico PDMS poroso
<ol><li>Produzione dello strato dielettrico poroso PDMS<ol><li>Preparare il modello poroso di zucchero / eritritolo seguendo i passaggi seguenti.<ol><li>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.</li>
			<li>Macinare l'eritritolo (vedi Tabella dei materiali) in polvere per garantire una miscelazione più uniforme con lo zucchero.</li>
			<li>Pesare una certa quantità di zucchero filtrato e polvere di eritritolo con un rapporto di massa di 20: 1. Agitare per mescolarli uniformemente.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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).</li>
		</ol></li>
		<li>Fabbricare lo strato dielettrico PDMS controllabile dalla porosità.<ol><li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Posizionare la capsula di Petri con la dima porosa riempita di soluzione PDMS/toluene in un essiccatore sottovuoto e degassare per 20 minuti.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>Fabbricazione degli strati di elettrodi flessibili basati su ECPC<ol><li>Sintetizzare l'inchiostro ECPC.<ol><li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol></li>
		<li>Raschia gli elettrodi seguendo i passaggi seguenti.<ol><li>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.</li>
			<li>Centrifugare la soluzione a 875 x g per 30 s a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Posizionare lo stampo in un essiccatore sottovuoto e degasare per 10 minuti.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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).</li>
			<li>Polimerizzare l'inchiostro ECPCs su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti.</li>
			<li>Ripetere i passaggi 1.2.2.3-1.2.2.8 per fabbricare sia lo strato superiore che quello inferiore dell'elettrodo.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>Incollaggio e confezionamento dei sensori capacitivi morbidi<ol><li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ripetere i passaggi 1.3.1-1.3.2 per collegare il filo per entrambi gli strati superiori e inferiori dell'elettrodo.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Posizionare lo strato dielettrico poroso PDMS fabbricato al punto 1.1.2 sullo strato dell'elettrodo.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Processo sperimentale di caratterizzazione delle prestazioni del sensore
<ol><li>Configurazione del carico di pressione passo-passo e sistema di acquisizione dati<ol><li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
	<li>Test delle prestazioni di rilevamento<ol><li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol><li>Ozioko, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SensAct%3A+The+soft+and+squishy+tactile+Sensor+with+integrated+flexible+actuator%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Intelligent+Systems%22%5BJournal%5D)">SensAct: The soft and squishy tactile Sensor with integrated flexible actuator.</a> Advanced Intelligent Systems. 3 (3), 1900145(2021).</li>
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<li>Ntagios, M., Nassar, H., Pullanchiyodan, A., Navaraj, W. T., Dahiya, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robotic+hands+with+intrinsic+tactile+sensing+via+3D+printed+soft+pressure+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Intelligent+Systems%22%5BJournal%5D)">Robotic hands with intrinsic tactile sensing via 3D printed soft pressure sensors.</a> Advanced Intelligent Systems. 2 (6), 1900080(2019).</li>
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<li>Yoon, J. I., Choi, K. S., Chang, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+means+of+fabricating+microporous+structures+for+the+dielectric+layers+of+capacitive+pressure+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">A novel means of fabricating microporous structures for the dielectric layers of capacitive pressure sensor.</a> Microelectronic Engineering. 179, 60-66 (2017).</li>
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<li>Wan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+highly+sensitive+flexible+capacitive+tactile+sensor+with+sparse+and+high-aspect-ratio+microstructures%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Electronic+Materials%22%5BJournal%5D)">A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high-aspect-ratio microstructures.</a> Advanced Electronic Materials. 4 (4), 1700586(2018).</li>
<li>Kwon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive%2C+flexible%2C+and+wearable+pressure+sensor+based+on+a+giant+piezocapacitive+effect+of+three-dimensional+microporous+elastomeric+dielectric+layer%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive, flexible, and wearable pressure sensor based on a giant piezocapacitive effect of three-dimensional microporous elastomeric dielectric layer.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (26), 16922-16931 (2016).</li>
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<li>Choi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synergetic+effect+of+porous+elastomer+and+percolation+of+carbon+nanotube+filler+toward+high+performance+capacitive+pressure+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Synergetic effect of porous elastomer and percolation of carbon nanotube filler toward high performance capacitive pressure sensors.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (1), 1698-1706 (2020).</li>
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</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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 <sup class...

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.

<table><tbody><tr><td>Stampante 3D</td><td>Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd</td><td>X-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Stampa 3D metariali</td><td>Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd</td><td>Filamento di stampa 3D PLA 1,75 mm</td><td></td></tr><tr><td>Nanotubi di carbonio (CNT)</td><td>XFNANO</td><td>XFM13</td><td></td></tr><tr><td>Acquisizione dati (DAQ)</td><td>National Instruments</td><td>USB6002</td><td></td></tr><tr><td>Nastro biadesivo</td><td>Minnesota Mining e Produzione (3M)</td><td>3M VHB 4910</td> Stampo metallico per elettrodi <td>di spessore 1 mm</td></tr><tr><td></td><td>Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd</td><td></td><td>Questo 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.</td></tr><tr><td>Eritritolo</td><td>Shandong Sanyuan Biotechnology Co., Ltd.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alcool isopropilico (IPA)</td><td>Sinopharm reagente chimico Co., Ltd</td><td>80109218</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments LabVIEW</td><td>2019</td><td></td></tr><tr><td>Misuratore LCR</td><td>Keysight</td><td>EA4980AL</td><td></td></tr><tr><td>Filo metallico</td><td>Hangzhou Hongtong WIRE& Fornitore verificato - CABLE Co., Ltd.</td><td>2UEW/155</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio</td><td>Aosvi</td><td>T2-3M180</td><td></td></tr><tr><td>Software di modellazione numerica</td><td>COMSOL</td><td>COMSOL Multiphysics 5.6</td><td></td></tr><tr><td>Polidimetilsilossano (PDMS)</td><td>Dow Chemical Company</td><td>SYLGAR 184 Kit di elastomeri siliconici</td><td>Due parti (base e agente indurente)</td></tr><tr><td>Pellicola sigillante</td><td>Corning</td><td>PM-996</td><td>parafilm</td></tr><tr><td>Si wafer</td><td>Suzhou Crystal Silicon Elettronica & Technology Co., Ltd</td><td>ZK20220416-03</td><td>Diametro (mm): 50,8 +/- 0,3 Tipo/Orientamento: P/100 Spessore (&micro; m): 525 +/- 25</td></tr><tr><td>Vernice conduttiva argento</td><td>Microscopia elettronica</td><td>Scienze 12686-15</td><td></td></tr><tr><td>Motore passo-passo</td><td>PECHINO HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd</td><td>57H B56L4-30DB</td><td></td></tr><tr><td>Stampo in metallo modello di zucchero/eritritolo</td><td>Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd</td><td></td><td>Questo 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.</td></tr><tr><td>Reagente chimico Toluene</td><td>Sinopharm Co., Ltd</td><td>10022819</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Sensitivity Enhancement of Soft Capacitive Pressure Sensors Using a Solvent Evaporation-Based Porosity Control Technique

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.

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...

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.

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

Soft pressure sensors play a significant role in developing &#34;man-machine&#34; tactile sensation in soft robotics and haptic interfaces. Specifically, ...

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.

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Miglioramento della sensibilità dei sensori di pressione capacitivi morbidi utilizzando una tecnica di controllo della porosità basata sullevaporazione del solvente (Video) | JoVE Journal

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

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