용매 증발 기반 다공성 제어 기술을 사용한 Soft Capacitive Pressure Sensor의 감도 향상

우리는 제어 가능한 성능으로 유연한 경쟁력 있는 압력 센서를 제작하는 새로운 방법을 제안했습니다. 용매 질량 분율을 조정하여 유전층의 다공성을 조절함으로써 달성된다. 경쟁력 있는 압력 센서의 최적화는 정교한 미세 가공 시설을 사용하지 않는 비용 효율적이고 쉬운 작동 방법을 통해 달성됩니다.

다공성 PDMS 유전체층을 제조하기 위하여, 여과된 당과 에리스리톨 분말을 질량비 20:1로 칭량하여 진탕하여 고르게 혼합한다. 혼합물을 상업적으로 입수한 설탕 에리스리톨 금형에 채우고 표면을 눌러 필러를 압축합니다. 혼합물을 섭씨 135도의 대류 오븐에서 2시간 동안 가열합니다.

가열 후 혼합물을 실온에서 식힌 후 덩어리 판 설탕을 제거합니다. 다공성 조절이 가능한 PDMS 유전체층을 제작하기 위해 원심분리관에 톨루엔 5g, PDMS 염기 5g, PDM 경화제 0.5g을 계량하여 용액을 고르게 저어준다. 용액을 실온에서 875G에서 30초 동안 원심분리하여 기포를 제거합니다.

정사각형 설탕-에리스리톨 다공성 템플릿을 페트리 접시에 넣습니다. 네 모서리 아래에 양면 테이프를 스페이서로 삽입하여 페트리 접시 표면에서 템플릿을 들어 올립니다. PDMS 톨루엔 용액을 템플릿에 붓고 접시를 약간 기울여 설탕 입자 사이의 모든 틈을 채웁니다.

그런 다음 접시를 진공 데시케이터에 넣고 20분 동안 가스를 제거합니다. 탈기 후 데시케이터에서 접시를 섭씨 90도의 오븐으로 45분 동안 옮겨 톨루엔을 증발시키고 액체 PDMS를 경화시킵니다. 다음으로, 다공성 템플릿에 내장된 경화된 PDMS를 탈이온수에 담근다.

설탕 템플릿이 완전히 용해될 때까지 섭씨 140도의 핫플레이트에서 가열하고 탈이온수로 다공성 PDMS를 세척합니다. ECPC를 기반으로 한 유연한 전극층을 제조하기 위해 먼저 비커에서 0.16g의 탄소 나노튜브(CNT)와 4g의 톨루엔을 칭량하여 ECPC 잉크를 합성합니다. 용매 증발을 방지하기 위해 밀봉 필름으로 비커를 덮고 250RPM에서 90분 동안 자기적으로 저어줍니다.

비커에 PDMS 베이스 2g과 톨루엔 2g의 무게를 측정하고 200RPM의 자기 교반기에 1시간 동안 놓습니다. 두 용액을 모두 준비한 후 CNT 톨루엔 현탁액을 PDMS 기본 톨루엔 용액과 혼합하고 밀봉 필름으로 비커를 덮습니다. 250RPM에서 2시간 동안 자기적으로 저어줍니다.

혼합 후 비커를 열고 혼합 용액에 PDMS 경화제 0.2g을 추가합니다. 섭씨 75도, 250RPM에서 1시간 동안 자석으로 저어줍니다. 전극을 긁어내기 위해 톨루엔, PDMS 베이스, PDMS 경화제를 질량비 2:10:1의 원심분리관에 칭량하여 용액을 고르게 저어줍니다.

그 후, 용액을 875G에서 실온에서 30초 동안 원심분리하여 기포를 제거하였다. 1.3g의 PDMS 톨루엔 용액을 엠보싱 전극 패턴이 있는 상업적으로 입수한 전극 금형에 붓습니다. 금형을 진공 데시케이터에 넣고 10분 동안 가스를 제거합니다.

그 후, 금형 내의 PDMS를 섭씨 90도의 핫플레이트에서 15분 동안 경화시킨다. 실온에서 식힌 후 패터닝된 PDMS 필름을 떼어낸다. PDMS 필름의 평평한 면을 실리콘 웨이퍼에 부착합니다.

ECPC 잉크를 전극 패턴에 긁어 코팅합니다. 섭씨 90도의 핫플레이트에서 ECPC의 잉크를 15분 동안 경화시킵니다. 소프트 정전식 센서의 접착 및 패키징을 위해 금속 와이어를 전극에 부착하십시오.

전도성이 좋도록 연결 위치에 은 전도성 페인트를 떨어뜨리고 은 전도성 페인트가 마를 때까지 기다리십시오. PDMS 용액을 연결부에 떨어뜨려 건조된 은 전도성 페인트를 완전히 밀봉합니다. 섭씨 90도의 핫 플레이트에서 PDMS를 15분 동안 경화시킵니다.

경화 후 상부 및 하부 전극층용 와이어를 연결하는 단계를 반복합니다. 전극과 유전체층 사이의 접착을 위한 접착층으로 PDMS의 얇은 층을 전극 필름에 고르게 도포합니다. 이어서, 전극층 위에 제작된 다공성 PDMS 유전체층을 위치시킨다.

PDMS 접착제를 섭씨 95도에서 10분 동안 경화시킵니다. 유리 페트리 접시를 다공성 PDMS에 놓아 가열하는 동안 두 층 사이의 양호한 접촉을 보장합니다. PDMS의 얇은 층을 다른 전극층에 고르게 도포합니다.

그런 다음 접합된 전극 유전체층을 역전시켜 다른 단일 전극층 위에 놓습니다. 두 전극을 정렬한 후 다공성 PDMS층과 다른 전극층 사이의 접합을 마칩니다. 감지 성능을 테스트하려면 스테핑 모터를 제어하여 인덴터가 프로그래밍된 거리만큼 수직으로 아래로 이동하도록 합니다.

부하 압력이 40N에 도달할 때까지 각 연속 부하 주기에서 동일한 간격으로 부하력을 증가시켜 커패시턴스와 표준 압력 데이터를 기록합니다. 다시 스테핑 모터를 제어하고 커패시턴스와 표준 압력 데이터를 기록합니다. 2, 500 사이클 동안 로딩 및 언로딩 테스트를 반복하면서 테스트 중인 장치의 커패시턴스를 표준 압력 판독값의 함수로 기록합니다.

인덴터를 제어하여 빠르게 아래로 누르고 몇 초 동안 안정된 상태를 유지한 후 0뉴턴 하중으로 돌아갑니다. 이 절차를 다섯 번 반복하고 커패시턴스를 시간의 함수로 기록합니다. 상이한 PDMS 톨루엔 질량비로 제작된 다공성 PDMS 유전체층의 광학현미경 이미지는 PDMS 톨루엔 용액의 질량비가 증가함에 따라 기공벽 두께가 감소하는 것으로 나타났다.

시뮬레이션 분석에 따르면 다공성이 높을수록 압축 변형률이 커지고 동일한 압축 압력에서 선형성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 상이한 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 다공성 PDMS 유전체층을 갖는 센서들의 커패시턴스 압력 응답 곡선은 상이한 감도를 나타내었다. 0 내지 10 킬로파스칼의 압력 하중 범위에서, 1 대 1 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 센서는 8 대 1 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 센서보다 2배 더 높은 감도를 나타내었다.

압력이 증가하면 유전체 층의 기공은 점차 크기가 줄어들어 모든 다공에 대해 동일한 수준에 도달할 때까지 감도가 감소합니다. 10킬로파스칼의 동일한 하중 압력 하에서 5개의 연속 하중, 언로딩 테스트에 대한 용량성 응답이 표시됩니다. 로딩 응답 시간은 0.2초로 나타났다.

주기적인 시험에는 가공된 연약한 전기 용량 감지기가 2, 500 주기 후에 우수한 반복성이 있었다는 것을 밝혀냈다. PDMS 유전체층의 다공성은 PDMS 톨루엔 질량비가 증가함에 따라 감소하여 센서 성능에 영향을 미칩니다.