Name: 溶媒蒸発に基づく気孔率制御技術を用いたソフト静電容量式圧力センサの感度向上 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T14:40:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: 学ぶ 溶媒蒸発による気孔率制御法を用いたソフト静電容量式圧力センサの製造技術。糖とエリスリトールを用いた簡便な多孔質PDMS誘電体層の作製により、高感度でコスト効率の良いフレキシブルセンサーを実現する方法を解説します。

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この研究は、助成金62273304の下で中国国立自然科学財団によって支援されました。

1. 多孔質PDMS誘電体層を用いたソフト静電容量式圧力センサの作製
<ol><li>多孔質PDMS誘電体層の製造<ol><li>以下の手順に従って、砂糖/エリスリトール多孔質テンプレートを準備します。<ol><li>270 μmと500 μmの開口部を持つサンプルシーブで砂糖をろ過します。粒子径が270〜500μmの範囲の砂糖を選択してください。 注:均一性が許容範囲内である限り、砂糖の粒子サイズを大きくしたり小さくしたりすることも許容されます。糖粒子の直径は、後のステップで製造される多孔質PDMS層の細孔径に影響を与えますが、細孔径を完全に決定するわけではありません。</li>
			<li>エリスリトール( 材料表を参照)を粉末に粉砕して、砂糖とのより均一な混合を確実にします。</li>
			<li>一定量のろ過砂糖とエリスリトール粉末を質量比20:1で計量します。振って均等に混ぜます。</li>
			<li>砂糖/エリスリトール混合物を市販の砂糖/エリスリトール金属型に入れます( 材料の表を参照)。表面を押してフィラーをコンパクトにします。 注意: 次のステップで簡単に離型できるように、砂糖/エリスリトールの前にAlホイルの層を型に入れることができます。</li>
			<li>図1Aに示すように、砂糖/エリスリトール混合物を入れた型を135°Cの対流式オーブンで2時間加熱します。室温で冷却した後、塊板状の砂糖(すなわち、多孔質テンプレート)を取り出す。</li>
		</ol></li>
		<li>多孔性制御可能なPDMS誘電体層を作製します。<ol><li>遠心分離管にトルエン5 g、PDMSベース5 g、およびPDMS硬化剤0.5 g( 材料表を参照)を計量します(つまり、PDMSベース/トルエン/硬化剤の質量比は10:10:1です)。溶液を均一に攪拌します。 注:PDMSベース溶液と硬化剤の質量比は10:1に固定されていますが、PDMSとトルエンの質量比を使用してPDMS誘電体層の気孔率を制御します。PDMS分率を上げると気孔率は減少します。最小気孔率は、トルエンを添加しない場合に得られる。</li>
			<li>溶液を875 x g で室温で30秒間遠心分離し、気泡を除去します。 注:溶液の量が多い場合は、ビーカーで溶液を調製できます。遠心処理は、15分間の真空脱気に置き換えられます。</li>
			<li>手順1.1.1で得られた正方形の砂糖/エリスリトール多孔質テンプレートをペトリ皿に入れます。両面テープをスペーサーとして四隅の下に挿入し、テンプレートをペトリ皿の表面から持ち上げます。 注:テンプレートはSiウェーハに配置することもできますが、この方法では、テンプレートとSiウェーハの間のインターフェースにPDMSの層が厚くなり、センサーのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。</li>
			<li>図1Bに示すように、PDMS /トルエン溶液をテンプレートに注ぎ、ペトリ皿をわずかに傾けて、溶液が糖粒子間のすべてのギャップを完全に埋められるようにします。</li>
			<li>PDMS /トルエン溶液で満たされた多孔質テンプレートを入れたペトリ皿を真空デシケーターに入れ、20分間脱気します。</li>
			<li>ペトリ皿を真空デシケーターから90°Cのオーブンに45分間移し、トルエンを蒸発させ、液体PDMSを硬化させます。</li>
			<li>図1Cに示すように、多孔質テンプレートに埋め込まれた硬化PDMSを脱イオン水(DI水)に浸します。砂糖テンプレートが完全に溶解するまで140°Cのホットプレートで加熱します。多孔質PDMSをDI水で洗浄します。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>ECPCに基づくフレキシブル電極層の作製<ol><li>ECPCインクを合成します。<ol><li>ビーカーに0.16 gのCNT(直径:10-20 nm、長さ:10-30 μm、 材料表を参照)と4 gのトルエンを量り、250 rpmで1.5時間磁気的に攪拌します。その間、ビーカーにPDMSベース2gとトルエン2gを量り、200rpmで1時間磁気攪拌する。溶媒の蒸発を防ぐために、攪拌しながらビーカーをシーリングフィルムで覆います。</li>
			<li>CNT/トルエン懸濁液をPDMSベース/トルエン溶液と混合し、ビーカーをシーリングフィルムで覆います。250rpmで2時間磁気攪拌します。</li>
			<li>混合溶液に0.2gのPDMS硬化剤を加える。75°C、250rpmで1時間磁気攪拌します。 図1D、Eに示すように、攪拌時の溶媒蒸発と懸濁液濃度についてビーカーを明らかにします。 注意: 攪拌と加熱の時間は調整可能です。混合物の粘度は攪拌時間とともに増加し、これにより、以下のスクレープコーティング操作が容易になる。ただし、PDMSソリューションの硬化を防ぐために、期間は長すぎないようにする必要があります。混合物がスクレイプコーティングに便利な粘度に濃縮されると、ECPCsインク合成プロセスが終了します。</li>
		</ol></li>
		<li>以下の手順に従って電極をスクレイプコートします。<ol><li>トルエン、PDMSベース、およびPDMS硬化剤を質量比2:10:1の遠沈管に計量します。溶液を均一に攪拌します。</li>
			<li>溶液を875 x g で室温で30秒間遠心分離し、気泡を除去します。</li>
			<li>図1Fに示すように、市販の電極金型(材料表を参照)に1.3 gのPDMS /トルエン溶液を注ぎます。 注: 金型の下部にあるエンボスパターンの厚さは 0.2 mm です。</li>
			<li>金型を真空デシケーターに入れ、10分間脱気します。</li>
			<li>金型内のPDMSをホットプレート上で90°Cで15分間硬化させます。室温で冷却した後、パターン化されたPDMSフィルムを剥がします。</li>
			<li>PDMSフィルムの平坦な面をSiウェーハに貼り付けます(つまり、電極パターンのある側を露出させます)。PDMSフィルムとSiウェーハの間に気泡がないことを確認してください。</li>
			<li>図1Gに示すように、手順1.2.1で準備したECPCインクを電極パターンにスクレイプコートします。イソプロピルアルコール(IPA)に浸したほこりのないワイプで余分なインクを拭きます。</li>
			<li>ECPCインクをホットプレート上で90°Cで15分間硬化させます。</li>
			<li>手順1.2.2.3-1.2.2.8を繰り返して、上部電極層と下部電極層の両方を製造します。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>ソフト静電容量センサーの接着とパッケージング<ol><li>金属線(材料表を参照)を電極に取り付けます。図1Hに示すように、接続位置に銀導電性塗料(材料表を参照)をドロップして、良好な導電性を確保します。銀導電性塗料が室温で乾くまで待ちます。</li>
		<li>手順1.2.2.1で調製した液体PDMS溶液を接続部に落とし、乾燥した銀導電性塗料を完全に密閉します。PDMSをホットプレート上で90°Cで15分間硬化させます。</li>
		<li>手順1.3.1〜1.3.2を繰り返して、上部電極層と下部電極層の両方のワイヤを接続します。</li>
		<li>ステップ1.2.2.1で調製した液体PDMSの薄層を、電極層と誘電体層との接合のための密着層として電極膜上に均一に塗布する。</li>
		<li>ステップ1.1.2で作製した多孔質PDMS誘電体層を電極層上に配置します。</li>
		<li>PDMS接着剤をホットプレート上で95°Cで10分間硬化させます。ガラスのペトリ皿を多孔質PDMSの上に置き、加熱中に2つの層間の良好な接触を確保します。</li>
		<li>他の電極層に対して手順1.3.4を繰り返します。ステップ1.3.6で得られた接合した電極−誘電体層を逆にし、それを他の単一電極層上に配置します(すなわち、多孔質PDMS層を電極層に直接接触させる)。2つの電極が互いに厳密に反対側に配置されていることを確認してください。</li>
		<li>手順1.3.6を繰り返して、多孔質PDMS層と他の電極層との接合を終了します。 メモ: 最終的なセンサーの図を 図1Iに示します。センサの構造と材料の図 を図1Jに示します。</li>
	</ol></li>
</ol>2. センサ性能評価の実験プロセス
<ol><li>ステッピング圧力負荷セットアップおよびデータ収集システム<ol><li>テスト対象のセンサーの圧力負荷( 材料表を参照)には、直径2.5 cmの円の荷重領域を持つ3Dプリントされた圧子を使用します。</li>
		<li>標準の引っ張り圧力センサーを介してステッピングモーター( 材料の表を参照)によって制御される垂直線形移動ステージに圧子を固定します。</li>
		<li>LCRメータでソフト静電容量式圧力センサの静電容量を測定し、データ収集(DAQ)デバイスを使用して標準圧力データを記録します。LCRメータとDAQの両方をLabVIEWデータロギングプログラムを実行しているコンピュータに接続します( 材料表を参照)。 注:実験セットアップの図を 図2に示します。圧子と標準の引張圧力センサーの間にばねが適用され、線形移動ステージの垂直変位が負荷圧力に変換されます。</li>
	</ol></li>
	<li>センシング性能のテスト<ol><li>ステッピングモーターを制御して圧子を駆動し、プログラムされた距離だけ垂直に移動します。負荷圧力が40 N(~80 kPa)に達するまで、連続する各負荷サイクルで同じ間隔で負荷力を増加させて、静電容量と標準圧力データを記録します。</li>
		<li>ステッピングモーターを制御して圧子を駆動し、最後のステップと同じ距離だけ垂直に移動します。圧子が安定した後の静電容量と標準圧力データを記録します。同じ間隔で荷重力を減らして操作を繰り返します。連続する各負荷サイクルで、負荷圧力は0 Nに低下します。</li>
		<li>ステッピングモーターを制御して圧子を駆動し、プログラムされた距離だけ垂直に移動します。静電容量と標準圧力データを記録します。標準圧力測定値の関数として被試験デバイス(DUT)の静電容量を記録しながら、2,500サイクルのロードおよびアンロードテストを繰り返します。</li>
		<li>圧子を制御して急速に押し下げ、数秒間安定した状態を保ってから、0N荷重に戻ります。これを5回繰り返し、静電容量を時間の関数として記録します。</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>
<li>Qiu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+biomimetic+drosera+capensis+with+adaptive+decision-predation+behavior+based+on+multifunctional+sensing+and+fast+actuating+capability%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">A biomimetic drosera capensis with adaptive decision-predation behavior based on multifunctional sensing and fast actuating capability.</a> Advanced Functional Materials. 32 (13), 2110296(2021).</li>
<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>
<li>Tang, Z., Jia, S., Zhou, C., Li, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+highly+sensitive+and+large-measurement-range+flexible+pressure+sensors+with+a+positive+piezoresistive+effect%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">3D Printing of highly sensitive and large-measurement-range flexible pressure sensors with a positive piezoresistive effect.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (25), 28669-28680 (2020).</li>
<li>Dai, Y., Chen, J., Tian, W., Xu, L., Gao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+PVDF%2FAu%2FPEN+multifunctional+flexible+human-machine+interface+for+multidimensional+sensing+and+energy+harvesting+for+the+internet+of+things%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">A PVDF/Au/PEN multifunctional flexible human-machine interface for multidimensional sensing and energy harvesting for the internet of things.</a> IEEE Sensors Journal. 20 (14), 7556-7568 (2020).</li>
<li>Yang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+piezoelectric+pressure+sensor+based+on+polydopamine-modified+BaTiO3%2FPVDF+composite+film+for+human+motion+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Flexible piezoelectric pressure sensor based on polydopamine-modified BaTiO3/PVDF composite film for human motion monitoring.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 301, 111789(2020).</li>
<li>Gao, Y. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wearable+microfluidic+diaphragm+pressure+sensor+for+health+and+tactile+touch+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Wearable microfluidic diaphragm pressure sensor for health and tactile touch monitoring.</a> Advanced Materials. 29 (39), 1701985(2017).</li>
<li>Meng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+weaving+constructed+self-powered+pressure+sensor+enabling+continuous+diagnosis+of+cardiovascular+disease+and+measurement+of+cuffless+blood+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Flexible weaving constructed self-powered pressure sensor enabling continuous diagnosis of cardiovascular disease and measurement of cuffless blood pressure.</a> Advanced Functional Materials. 29 (5), 180688(2019).</li>
<li>Yang, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microstructured+porous+pyramid-based+ultrahigh+sensitive+pressure+sensor+insensitive+to+strain+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Microstructured porous pyramid-based ultrahigh sensitive pressure sensor insensitive to strain and temperature.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (21), 19472-19480 (2019).</li>
<li>Chen, S., Zhuo, B., Guo, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+area+one-step+facile+processing+of+microstructured+elastomeric+dielectric+film+for+high+sensitivity+and+durable+sensing+over+wide+pressure+range%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Large area one-step facile processing of microstructured elastomeric dielectric film for high sensitivity and durable sensing over wide pressure range.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (31), 20364-20370 (2016).</li>
<li>Ding, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+the+pore+size+on+the+sensitivity+of+flexible+and+wearable+pressure+sensors+based+on+porous+Ecoflex+dielectric+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Research+Express%22%5BJournal%5D)">Influence of the pore size on the sensitivity of flexible and wearable pressure sensors based on porous Ecoflex dielectric layers.</a> Materials Research Express. 6 (6), 066304(2019).</li>
<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>
<li>Wang, J., Li, L., Zhang, L., Zhang, P., Pu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+capacitive+pressure+sensors+with+micro-patterned+porous+dielectric+layer+for+wearable+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Flexible capacitive pressure sensors with micro-patterned porous dielectric layer for wearable electronics.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 32 (3), 034003(2022).</li>
<li>Mannsfeld, S. C. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive+flexible+pressure+sensors+with+microstructured+rubber+dielectric+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers.</a> Nature Materials. 9 (10), 859-864 (2010).</li>
<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>
<li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+porous+and+air+gap+elastomeric+dielectric+layer+for+wearable+capacitive+pressure+sensor+with+high+sensitivity+and+a+wide+detection+range%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">A porous and air gap elastomeric dielectric layer for wearable capacitive pressure sensor with high sensitivity and a wide detection range.</a> Journal of Materials Chemistry C. 8 (33), 11468-11476 (2020).</li>
<li>Kim, J. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+ordered+3D+microstructure-based+electronic+skin+capable+of+differentiating+pressure%2C+temperature%2C+and+proximity%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Highly ordered 3D microstructure-based electronic skin capable of differentiating pressure, temperature, and proximity.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (1), 1503-1511 (2019).</li>
<li>Lo, L. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+soft+sponge+sensor+for+multimodal+sensing+and+distinguishing+of+pressure%2C+strain%2C+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">A soft sponge sensor for multimodal sensing and distinguishing of pressure, strain, and temperature.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 14 (7), 9570-9578 (2022).</li>
<li>Hwang, J., Kim, Y., Yang, H., Oh, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+hierarchically+porous+structured+PDMS+composites+and+their+application+as+a+flexible+capacitive+pressure+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">Fabrication of hierarchically porous structured PDMS composites and their application as a flexible capacitive pressure sensor.</a> Composites Part B: Engineering. 211, 108607(2021).</li>
<li>Jung, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linearly+sensitive+pressure+sensor+based+on+a+porous+multistacked+composite+structure+with+controlled+mechanical+and+electrical+properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Linearly sensitive pressure sensor based on a porous multistacked composite structure with controlled mechanical and electrical properties.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (24), 28975-28984 (2021).</li>
<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>
<li>Choi, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+polydimethylsiloxane+%28PDMS%29+sponge+for+the+selective+absorption+of+oil+from+water%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">A polydimethylsiloxane (PDMS) sponge for the selective absorption of oil from water.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 3 (12), 4552-4556 (2011).</li>
<li>Rinaldi, A., Tamburrano, A., Fortunato, M., Sarto, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+flexible+and+highly+sensitive+pressure+sensor+based+on+a+PDMS+foam+coated+with+graphene+nanoplatelets%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">A flexible and highly sensitive pressure sensor based on a PDMS foam coated with graphene nanoplatelets.</a> Sensors. 16 (12), 2148(2016).</li>
</ol>

著者は開示するものは何もありません。

本研究では、溶媒蒸発による気孔率制御の簡便な方法を提案し、一連の実験結果によりその実現可能性を証明した。多孔質構造は柔軟な静電容量式圧力センサで広く使用されていますが、気孔率制御にはさらに最適化が必要です。PFA 11,12,13,18,19の粒径やPFA17,20に対する高分子基質の比率を変える既存の方法とは異なり、PFA(すなわち糖)の大きさを均一に保ちながら高分子基質溶液の濃度を変化させる。その結果、細孔分布が保持されたまま細孔壁の厚さが変化し、溶液濃度によって空隙率を制御できることを意味する。
多孔性制御の最も重要なステップは、PDMS...

近年、フレキシブル圧力センサは、ソフトロボティクス1,2,3、「マンマシン」触覚インターフェース4,5、およびヘルスモニタリング6,7,8に不可欠なアプリケーションとして注目されています。一般に、圧力検出のメカニズムには、ピエゾ抵抗1,4,7、圧電2,6、容量性2,3,9,10,11,12,13、および摩擦電気8が含まれます。センサー。その中で、静電容量式圧力センサーは、感度が高く、検出限界が低い(LOD)などにより、触覚センシングの最も有望な方法の1つとして際立っています。
センシング性能を向上させるために、マイクロピラミッド2,9,14、マイクロピラー15、マイクロポア9,10,11,12,13,16,17などのさまざまな微細構造を柔軟な静電容量式圧力センサに導入し、製造方法も最適化してセンシングをさらに向上させました。そのような構造のパフォーマンス。ただし、これらの構造のほとんどは高度な微細加工設備を必要とするため、製造コストと運用上の困難が大幅に増加します。たとえば、軟圧センサーで最も一般的に使用される微細構造として、マイクロピラミッドは、成形テンプレートとしてリソグラフィーで定義されウェットエッチングされたSiウェーハに依存しており、精密機器と厳格なクリーンルーム環境が必要です9,14。そのため、高いセンシング性能を維持しながら、簡便な加工工程で低コストの原料で作製できるミクロポア構造(多孔質構造)が近年注目されています9,10,11,12,13,16,17 .これについては,PFAとその量を変更することのデメリットとともに,フラクションコントロール法を使用する動機として議論する。
本研究では、溶媒蒸発技術に基づく簡便かつ低コストな方法を提案し、制御可能な気孔率を有する多孔質可沓性静電容量式圧力センサを作製する。完全な製造プロセスには、多孔質PDMS誘電体層の製造、電極のスクレイプコーティング、および3つの機能層の接着が含まれます。具体的には、この研究では、特定の質量比のPDMS/トルエン混合溶液を使用して、糖/エリスリトール混合物テンプレートに基づいて多孔質PDMS誘電体層を作製します。一方、均一なPFA粒子サイズは、均一な細孔形態と分布を保証します。したがって、気孔率は、PDMS/トルエンの質量比を変更することによって制御することができる。実験結果は、PDMS/トルエンの質量比を1:8から1:1に増やすことにより、提案する圧力センサの感度を2倍以上に高めることができることを示しています。PDMS/トルエンの質量比の違いによるミクロ細孔壁厚の変化は、光学顕微鏡画像でも確認されています。最適化されたソフト静電容量式圧力センサは、感度と応答時間がそれぞれ3.47%kPa−1 と0.2秒の高い検出性能を示します。この手法により、空隙率を制御可能な多孔質誘電体層の高速・低コスト・簡便な作製を実現します。

<table><tbody><tr><td>3Dプリンター</td><td>浙江Qidi Technology Co., Ltd</td><td>X-MAX</td><td></td></tr><tr><td>3Dプリンティングメタリアル</td><td>浙江Qidi Technology Co., Ltd</td><td>3DプリンティングフィラメントPLA 1.75 mm</td><td></td></tr><tr><td>カーボンナノチューブ(CNTs)</td><td>XFNANO</td><td>XFM13</td><td></td></tr><tr><td>データ収集(DAQ)</td><td>National Instruments</td><td>USB6002</td><td></td></tr><tr><td>両面テープ</td><td>ミネソタ鉱業製造 (3M)</td><td>3M VHB 4910</td><td>1 mm 厚さ</td></tr><tr><td>電極金型</td><td>Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd</td><td></td><td>この金型は、底が平らな丸い溝と溝の中央に厚さ 0.2 mm のエンボス加工された電極パターンを持つ丸い金属板です。</td></tr><tr><td>エリスリトール</td><td>山東三元バイオテクノロジー株式会社</td><td></td><td></td></tr><tr><td>イソプロピルアルコール(IPA)</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>80109218</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2019</td><td></td></tr><tr><td>LCRメーター</td><td>Keysight</td><td>EA4980AL</td><td></td></tr><tr><td>Metal wire</td><td>Hangzhou Hongtong WIRE&ケーブル株式会社</td><td>2UEW/155</td><td></td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>Aosvi</td><td>T2-3M180</td><td></td></tr><tr><td>数値モデリングソフトウェア</td><td>COMSOL</td><td>COMSOL Multiphysics 5.6</td><td></td></tr><tr><td>ポリジメチルシロキサン (PDMS)</td><td>ダウ・ケミカル・カンパニー</td><td>SYLGAR 184 シリコーンエラストマーキット</td><td>2つの部分(ベースと硬化剤)</td></tr><tr><td>シーリングフィルム</td><td>コーニング</td><td>PM-996</td><td>パラフィルム</td></tr><tr><td>Si ウェーハ</td><td>蘇州クリスタルシリコンエレクトロニック&テクノロジー株式会社</td><td>ZK20220416-03</td><td>直径 (mm): 50.8 +/- 0.3 タイプ/向き: P/100 厚さ (&micro;m):525 +/- 25</td></tr><tr><td>銀導電性塗料</td><td>電子顕微鏡科学</td><td>12686-15</td><td></td></tr><tr><td>ステッピングモーター</td><td>北京海傑jia荘技術有限公司</td><td>57H B56L4-30DB</td><td></td></tr><tr><td>砂糖/エリスリトールテンプレート金型</td><td>広東順徳Molarobot有限公司</td><td></td>この<td>金型は、深さ2.5mmの平底正方形の溝を持つ厚さ5mmの正方形の金属板です。</td></tr><tr><td>Toluene</td><td>Sinopharm化学試薬Co.、株式会社</td><td>10022819</td><td></td></tr></tbody></table>

溶媒蒸発に基づく気孔率制御技術を用いたソフト静電容量式圧力センサの感度向上

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

軟圧センサは、ソフトロボティクスや触覚インターフェースにおける「マンマシン」触覚の開発に重要な役割を果たします。具体的には、微細構造のポリマーマトリックスを備えた静電容量センサーは、その高感度、広い直線性範囲、および高速応答時間のために、かなりの労力で検討されてきました。しかし、センシング性能の向上は誘電体層の構造設計に依存することが多く、高度な微細加工設備が必要です。本稿では、溶媒蒸発ベースの方法で気孔率を調整することにより、感度を向上させた多孔質静電容量式圧力センサを簡単かつ低コストで製造する方法を報告する。このセンサは、弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)で作られた上部および下部電極と結合された多孔質ポリジメチルシロキサン(PDMS)誘電体層で構成されています。電極は、カーボンナノチューブ(CNT)ドープPDMS導電性スラリーをモールドパターン化されたPDMSフィルムにスクレイプコーティングすることによって調製されました。誘電体層の空隙率を最適化してセンシング性能を向上させるために、PDMS溶液を、糖孔形成剤(PFA)を異なるサイズに濾過または粉砕する代わりに、異なる質量分率のトルエンで希釈した。トルエン溶媒の蒸発により、制御可能な多孔性を有する多孔質誘電体層の迅速な作製が可能となった。トルエンとPDMSの比率を1:8から1:1にすると、感度が2倍に向上することが確認されました。この研究で提案された研究は、調整可能なセンサーパラメータの柔らかい感覚機械受容器を備えた完全に統合されたバイオニックソフトロボットグリッパーを製造する低コストの方法を可能にします。

塊状糖/エリスリトール多孔質テンプレートの写真を図3Aに示します。 図3Bは、スクレイプコートされたECPCsパターンを有するフレキシブル電極層を示す。図3Cは、提案手法で作製した多孔質誘電体層を用いたソフト静電容量式圧力センサです。4つの多孔質PDMS誘電体層は、それぞれ1:1、3:1、5:1、および8:1の異なる質量比のPDMS/トルエン溶液に基づいて作製されました。異なる構造の細孔形態を示す光学顕微鏡画像を図3Dに示す。細孔壁厚はPDMS/トルエン溶液の質量比の増加とともに増加することがわかった。
機械的特性の気孔率への依存性を検証するために、有限要素解析(FEA)を実行し、高度な数値モデリングソフトウェアを使用して、圧縮ひずみの関数として多孔質PDMS誘電体層に発生する圧...

溶媒蒸発技術に基づくシンプルでコスト効率の高い製造方法を提示し、成形PDMS/トルエン溶液の異なる質量比を使用した誘電体層の空隙率制御によって可能になるソフト静電容量式圧力センサの性能を最適化します。

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

制御可能な性能を有する柔軟な競合圧力センサを作製する新しい手法を提案した.これは、誘電体層の空隙率を制御するために溶媒質量分率を調整することによって達成される。競争力のある圧力センサーの最適化は、高度な微細加工設備の使用を回避する、コスト効率が高く簡単な操作方法によって達成されます。多孔質PDMS誘電体層を製造するには、濾過した糖とエリスリトール粉末を質量比20対1で秤量し、振とうして均一に混合する。市販の砂糖エリスリトール金属型に混合物を充填し、表面を押してフィラーをコンパクトにします。混合物を摂氏135度の対流式オーブンで2時間加熱する。加熱後、混合物を室温で冷ましてから、塊板の砂糖を取り除きます。多孔性制御可能なPDMS誘電体層を作製するには、5グラムのトルエン、5グラムのPDMSベース、および0.5グラムのPDM硬化剤を遠沈管に計量し、溶液を均一に攪拌します。溶液を875Gで室温で30秒間遠心分離し、気泡を除去します。正方形の砂糖-エリスリトール多孔質テンプレートをペトリ皿に入れます。両面テープをスペーサーとして四隅の下に挿入し、テンプレートをペトリ皿の表面から持ち上げます。PDMSトルエン溶液をテンプレートに注ぎ、皿を少し傾けて砂糖粒子間のすべての隙間を埋めます。次に、皿を真空デシケーターに入れ、20分間脱気します。脱気後、皿をデシケーターから摂氏90度のオーブンに45分間移し、トルエンを蒸発させ、液体PDMSを硬化させます。次に、多孔質テンプレートに埋め込まれた硬化PDMSをイオン交換水に浸す。砂糖テンプレートが完全に溶解するまで摂氏140度のホットプレートで加熱し、多孔質PDMSを脱イオン水で洗浄します。ECPCに基づくフレキシブル電極層の作製のために、まず、ビーカーに0.16グラムのカーボンナノチューブ(CNT)と4グラムのトルエンを計量してECPCインクを合成する。溶媒の蒸発を防ぐためにビーカーをシーリングフィルムで覆い、250RPMで90分間磁気的に攪拌します。ビーカーに2グラムのPDMSベースと2グラムのトルエンを量り、200RPMのマグネチックスターラーに1時間置きます。両方の溶液を調製した後、CNTsトルエン懸濁液をPDMSベーストルエン溶液と混合し、ビーカーをシーリングフィルムで覆う。250RPMで2時間磁気的に攪拌します。混合後、ビーカーの蓋をして、0.2グラムのPDMS硬化剤を混合溶液に加えます。摂氏75度、250RPMで1時間磁気的に攪拌します。電極をスクレイプコートするには、トルエン、PDMSベース、およびPDMS硬化剤を質量比2〜10対1の遠沈管に計量し、溶液を均一に攪拌します。その後、溶液を875Gで室温で30秒間遠心分離し、気泡を除去した。1.3グラムのPDMSトルエン溶液を、エンボス電極パターンを備えた市販の電極金型に注ぎます。金型を真空デシケーターに入れ、10分間脱気します。次に、金型内のPDMSを摂氏90度のホットプレートで15分間硬化させます。室温で冷却後、パターン化されたPDMSフィルムを剥離する。PDMSフィルムの平坦面をシリコンウェーハに取り付けます。ECPCインクを電極パターンにスクレイプコートします。ECPCのインクをホットプレートで摂氏90度で15分間硬化させます。ソフト静電容量センサーの接着とパッケージングのために、金属線を電極に取り付けます。良好な導電性のために接続位置に銀導電性塗料を落とし、銀導電性塗料が乾くまで待ちます。PDMS溶液を接続部にドロップして、乾燥した銀導電性塗料を完全にシールします。PDMSを摂氏90度のホットプレートで15分間硬化させます。硬化後、手順を繰り返して、上部電極層と下部電極層にワイヤを接続します。電極層と誘電体層を接合するための密着層として、電極膜上にPDMSの薄層を均一に塗布します。次に、作製した多孔質PDMS誘電体層を電極層上に配置した。PDMS接着剤を摂氏95度で10分間硬化させます。ガラスのペトリ皿を多孔質PDMSの上に置き、加熱中に2つの層間の良好な接触を確保します。PDMSの薄層を他の電極層に均等に塗布します。次に、接合された電極誘電体層を逆にし、もう一方の単一電極層に配置します。2つの電極を位置合わせした後、多孔質PDMS層と他方の電極層との接合を終了する。センシング性能をテストするには、ステッピングモーターを制御して、プログラムされた距離だけ垂直に下に移動するようにインデンターを駆動します。負荷圧力が40ニュートンに達するまで、連続する各負荷サイクルで同じ間隔で負荷力を増加させることにより、静電容量と標準圧力データを記録します。ここでも、ステッピングモーターを制御し、静電容量と標準圧力データを記録します。標準圧力測定値の関数としてテスト対象のデバイスの静電容量を記録しながら、2, 500サイクルのロードおよびアンロードテストを繰り返します。インデンダーを制御してすばやく押し下げ、数秒間安定した状態を保ってから、ニュートン荷重ゼロに戻ります。この手順を5回繰り返し、静電容量を時間の関数として記録します。異なるPDMSトルエン質量比で作製した多孔質PDMS誘電体層の光学顕微鏡像は、PDMSトルエン溶液の質量比の増加とともに細孔壁厚が減少することを示した。シミュレーション解析では、気孔率が高いほど圧縮ひずみが大きくなり、同じ圧縮圧力下で直線性が向上することが示されました。PDMSトルエン質量比の異なる多孔質PDMS誘電体層を有するセンサの静電容量圧力応答曲線は、異なる感度を示した。0〜10キロパスカルの圧力負荷範囲では、1対1のPDMSトルエン質量比を有するセンサは、8対1のPDMSトルエン質量比を有するセンサのそれよりも2倍高い感度を示した。圧力が上昇すると、誘電体層の細孔のサイズは徐々に小さくなり、すべての気孔率で同じレベルに達するまで感度が低下しました。10キロパスカルの同じ負荷圧力下での5回の連続した負荷、荷降ろしテストに対する容量性応答が示されています。ロードの応答時間は0.2秒であることがわかりました。周期試験により、製造されたソフト静電容量センサーは2, 500サイクル後に優れた再現性を有することが明らかになった。PDMSトルエンの質量比が増加すると、PDMS誘電体層の気孔率が低下し、センサーの性能に影響します。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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溶媒蒸発に基づく気孔率制御技術を用いたソフト静電容量式圧力センサの感度向上

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