Zwiększenie czułości miękkich pojemnościowych czujników ciśnienia przy użyciu techniki kontroli porowatości opartej na parowaniu rozpuszczalnika

Zaproponowaliśmy nową metodę wytwarzania elastycznego czujnika ciśnienia konkurencyjnego o kontrolowanej wydajności. Osiąga się to poprzez dostosowanie frakcji masowej rozpuszczalnika w celu kontrolowania porowatości warstwy dielektrycznej. Optymalizacja konkurencyjnego czujnika ciśnienia odbywa się za pomocą ekonomicznej i łatwej metody obsługi, która pozwala uniknąć korzystania z zaawansowanych urządzeń do mikroprodukcji.

Aby wytworzyć porowatą warstwę dielektryczną PDMS, należy zważyć przefiltrowany cukier i erytrytol w proszku o stosunku masowym 20 do 1 i równomiernie wymieszać przez wstrząsanie. Wlej mieszaninę do uzyskanej komercyjnie metalowej formy z erytrytolem cukrowym i dociśnij powierzchnię, aby wypełniacz był zwarty. Podgrzej mieszaninę w piecu konwekcyjnym w temperaturze 135 stopni Celsjusza przez dwie godziny.

Po podgrzaniu pozwól mieszaninie ostygnąć w temperaturze pokojowej przed wyjęciem cukru w kawałkach. Aby wytworzyć warstwę dielektryczną PDMS o kontrolowanej porowatości, zważ pięć gramów toluenu, pięć gramów zasady PDMS i 0,5 grama utwardzacza PDM w probówce wirówkowej i równomiernie wymieszaj roztwór. Odwiruj roztwór o temperaturze 875G przez 30 sekund w temperaturze pokojowej, aby usunąć pęcherzyki powietrza.

Umieść kwadratowy porowaty szablon z cukrem i erytrytolem na szalce Petriego. Włóż taśmę dwustronną jako przekładki pod czterema rogami, aby podnieść szablon z powierzchni szalki Petriego. Wlej roztwór toluenu PDMS do szablonu i lekko pochyl naczynie, aby wypełnić wszystkie szczeliny między cząsteczkami cukru.

Następnie umieść naczynie w eksykatorze próżniowym i odgazowuj przez 20 minut. Po odgazowaniu przenieść naczynie z eksykatora do piekarnika w temperaturze 90 stopni Celsjusza na 45 minut w celu odparowania toluenu i utwardzenia płynnego PDMS. Następnie zanurz utwardzony PDMS osadzony w porowatym szablonie w wodzie dejonizowanej.

Podgrzej na gorącej płycie w temperaturze 140 stopni Celsjusza, aż szablon cukru całkowicie się rozpuści i wyczyść porowaty PDMS wodą dejonizowaną. Aby wytworzyć elastyczne warstwy elektrod oparte na ECPC, najpierw zsyntetyzuj tusz ECPC, ważąc 0,16 grama nanorurek węglowych lub CNT i czterech gramów toluenu w zlewce. Przykryj zlewkę folią uszczelniającą, aby zapobiec parowaniu rozpuszczalnika i mieszaj magnetycznie przy 250 obr./min przez 90 minut.

Zważyć dwa gramy zasady PDMS i dwa gramy toluenu w zlewce i umieścić na mieszadle magnetycznym z prędkością 200 obr./min na jedną godzinę. Po przygotowaniu obu roztworów zmieszać zawiesinę toluenu CNT z roztworem toluenu na bazie PDMS i przykryć zlewkę folią uszczelniającą. Mieszaj magnetycznie z prędkością 250 obr./min przez dwie godziny.

Po wymieszaniu odsłoń zlewkę i dodaj 0,2 grama utwardzacza PDMS do wymieszanego roztworu. Mieszaj magnetycznie w temperaturze 75 stopni Celsjusza i 250 obr./min przez godzinę. Aby zeskrobać elektrody, zważ toluen, bazę PDMS i utwardzacz PDMS w probówce wirówkowej o stosunku masowym 2 do 10 do 1 i równomiernie wymieszaj roztwór.

Następnie odwiruj roztwór o temperaturze 875G przez 30 sekund w temperaturze pokojowej, aby usunąć pęcherzyki powietrza. Wlej 1,3 grama roztworu toluenu PDMS do uzyskanej w handlu metalowej formy elektrody z wytłoczonym wzorem elektrody. Umieść formę w eksykatorze próżniowym i odgazowuj przez 10 minut.

Następnie utwardź PDMS w formie na gorącej płycie w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 15 minut. Po schłodzeniu w temperaturze pokojowej zdejmij wzorzystą folię PDMS. Przymocuj płaską stronę folii PDMS do płytki silikonowej.

Zeskrob atrament ECPC we wzór elektrody. Utwardź tusz ECPC na gorącej płycie w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 15 minut. W celu sklejenia i zapakowania miękkich czujników pojemnościowych należy przymocować metalowy drut do elektrody.

Upuść srebrną farbę przewodzącą w miejscu połączenia, aby uzyskać dobrą przewodność i poczekaj, aż srebrna farba przewodząca wyschnie. Upuść roztwór PDMS na połączenie, aby całkowicie uszczelnić wysuszoną srebrną farbę przewodzącą. Utwardź PDMS na gorącej płycie w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 15 minut.

Po utwardzeniu powtórz kroki, aby połączyć drut dla górnej i dolnej warstwy elektrody. Nałóż cienką warstwę PDMS równomiernie na folię elektrody jako warstwę adhezyjną do łączenia elektrody z warstwami dielektrycznymi. Następnie umieść porowatą warstwę dielektryczną PDMS wytworzoną na warstwie elektrody.

Klej PDMS utwardzamy w temperaturze 95 stopni Celsjusza przez 10 minut. Umieść szklaną szalkę Petriego na porowatym PDMS, aby zapewnić dobry kontakt między dwiema warstwami podczas ogrzewania. Nałóż cienką warstwę PDMS równomiernie na drugą warstwę elektrody.

Następnie odwróć warstwę dielektryczną połączonej elektrody i umieść ją na drugiej warstwie pojedynczej elektrody. Po wyrównaniu dwóch elektrod zakończ wiązanie między porowatą warstwą PDMS a drugą warstwą elektrody. W celu przetestowania wydajności wykrywania, steruj silnikiem krokowym, aby napędzał indentor tak, aby przesuwał się w dół w pionie o zaprogramowaną odległość.

Zapisz dane dotyczące pojemności i ciśnienia standardowego, zwiększając siłę obciążenia w tym samym odstępie czasu w każdym kolejnym cyklu ładowania, aż ciśnienie obciążenia osiągnie 40 niutonów. Ponownie steruj silnikiem krokowym i zapisz dane dotyczące pojemności i standardowego ciśnienia. Powtórz testy załadunku i rozładunku przez 2 500 cykli, rejestrując pojemność testowanego urządzenia w funkcji standardowego odczytu ciśnienia.

Kontroluj indentor, aby szybko docisnął i pozostał stabilny przez kilka sekund, zanim powróci do zerowego obciążenia Newtona. Powtórz tę procedurę pięć razy i zapisz pojemność w funkcji czasu. Obrazy mikroskopu optycznego porowatych warstw dielektrycznych PDMS wytworzonych przy użyciu różnych stosunków masowych toluenu PDMS wykazały, że grubość ścianki porów zmniejszała się wraz ze wzrostem stosunku masy roztworu toluenu PDMS.

Analiza symulacyjna wykazała, że wyższa porowatość przyczyniła się do większego odkształcenia ściskającego, z lepszą liniowością przy tym samym przyłożonym ciśnieniu ściskania. Krzywa odpowiedzi na ciśnienie pojemnościowe czujników z porowatymi warstwami dielektrycznymi PDMS o różnych stosunkach masowych toluenu PDMS wykazywała różną czułość. W zakresie obciążenia ciśnieniowego od 0 do 10 kilopaskali czujnik ze stosunkiem masowym toluenu PDMS jeden do jednego wykazywał dwukrotnie wyższą czułość niż czujnik o stosunku masowym toluenu 8 do 1 PDMS.

Pod wpływem zwiększonego ciśnienia pory warstwy dielektrycznej stopniowo zmniejszały się, zmniejszając czułość, aż osiągnęły ten sam poziom dla wszystkich porowatości. Pokazano reakcję pojemnościową na pięć kolejnych prób obciążenia i rozładowania przy tym samym ciśnieniu obciążenia 10 kilopaskalach. Stwierdzono, że czas odpowiedzi ładowania wynosi 0,2 sekundy.

Cykliczne testy wykazały, że fabrycznie wykonany miękki czujnik pojemnościowy ma doskonałą powtarzalność po 2 500 cyklach. Porowatość warstwy dielektrycznej PDMS będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem stosunku masowego toluenu PDMS, co wpłynie na wydajność czujnika.