Um método de fabricação simples e econômico baseado na técnica de evaporação de solvente é apresentado para otimizar o desempenho de um sensor de pressão capacitivo macio, que é possibilitado pelo controle de porosidade na camada dielétrica usando diferentes razões de massa da solução de moldagem PDMS/tolueno.
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Artigo de método
Aumento da sensibilidade de sensores de pressão capacitivos macios usando uma técnica de controle de porosidade baseada em evaporação de solvente
Neste artigo
Resumo
Resumo
Os sensores de pressão suave desempenham um papel significativo no desenvolvimento da sensação tátil "homem-máquina" em robótica suave e interfaces hápticas. Especificamente, sensores capacitivos com matrizes poliméricas micro-estruturadas têm sido explorados com considerável esforço devido à sua alta sensibilidade, ampla faixa de linearidade e rápido tempo de resposta. No entanto, a melhoria do desempenho de detecção muitas vezes depende do projeto estrutural da camada dielétrica, que requer instalações sofisticadas de microfabricação. Este artigo relata um método simples e de baixo custo para fabricar sensores de pressão capacitivos porosos com sensibilidade melhorada usando o método baseado em evaporação de solvente para ajustar a porosidade. O sensor consiste em uma camada dielétrica porosa de polidimetilsiloxano (PDMS) colada com eletrodos superior e inferior feitos de compósitos poliméricos condutores elásticos (ECPCs). Os eletrodos foram preparados por lama condutora de PDMS dopada com nanotubos de carbono (CNTs) em filmes de PDMS padronizados por molde. Para otimizar a porosidade da camada dielétrica para melhorar o desempenho de sensoriamento, a solução de PDMS foi diluída com tolueno de diferentes frações mássicas em vez de filtrar ou moer o agente formador de poros de açúcar (PFA) em diferentes tamanhos. A evaporação do solvente tolueno permitiu a rápida fabricação de uma camada dielétrica porosa com porosidades controláveis. Confirmou-se que a sensibilidade poderia ser aumentada mais duas vezes quando a relação tolueno/PDMS foi aumentada de 1:8 para 1:1. A pesquisa proposta neste trabalho possibilita um método de baixo custo de fabricação de pinças robóticas macias biônicas totalmente integradas com mecanorreceptores sensoriais macios de parâmetros de sensores sintonizáveis.
Introdução
Nos últimos anos, sensores flexíveis de pressão vêm chamando a atenção devido à sua indispensável aplicação em robótica suave 1,2,3, interfaces hápticas "homem-máquina" 4,5 e monitoramento de saúde 6,7,8. Geralmente, os mecanismos de detecção de pressão incluem piezoresistiva 1,4,7, piezelétrica 2,6, capacitiva
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Protocolo
1. Fabricação do sensor de pressão capacitivo macio com uma camada dielétrica porosa de PDMS
- Fabricação da camada dielétrica porosa de PDMS
- Prepare o modelo poroso de açúcar/eritritol seguindo os passos abaixo.
- Filtrar o açúcar com peneiras de amostra com aberturas de 270 μm e 500 μm. Escolha açúcar com diâmetro de partícula na faixa de 270-500 μm.
NOTA: Um tamanho de partícula de açúcar maior ou menor também é aceitável, desde que a uniformidade esteja dentro dos limites de tolerância. O diâmetro da partícula de açúcar afetará o tamanho dos poros da camada porosa de PDMS fabricada em uma etapa posterior, mas não determinará....
- Filtrar o açúcar com peneiras de amostra com aberturas de 270 μm e 500 μm. Escolha açúcar com diâmetro de partícula na faixa de 270-500 μm.
- Prepare o modelo poroso de açúcar/eritritol seguindo os passos abaixo.
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Resultados
A fotografia do molde poroso de açúcar/eritritol é mostrada na Figura 3A. A Figura 3B mostra a camada de eletrodos flexíveis com um padrão de ECPCs revestidos com raspagem. A Figura 3C mostra o sensor de pressão capacitivo macio com uma camada dielétrica porosa fabricada com o método proposto. Quatro camadas dielétricas porosas de PDMS foram fabricadas à base de soluções PDMS/tolueno com diferentes relações de mass.......
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Discussão
Este trabalho propõe um método simples baseado na evaporação de solventes para controlar a porosidade, e uma série de resultados experimentais comprovaram sua viabilidade. Embora a estrutura porosa tenha sido amplamente utilizada no sensor de pressão capacitivo flexível, o controle da porosidade ainda necessita de maior otimização. Ao contrário dos métodos existentes para alterar o tamanho das partículas do PFA 11,12,13,18,19 e a proporção de substrato polimérico para PFA <.......
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China sob Grant 62273304.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Impressora 3D | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | X-MAX | |
| Metais de impressão 3D | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | Filamento de impressão 3D PLA 1,75 mm | |
| Nanotubos de carbono (CNTs) | XFNANO | XFM13 | |
| Aquisição de dados (DAQ) | National Instruments | USB6002 | |
| Fita dupla face | Minnesota Mining e Fabricação (3M) | 3M VHB 4910 | Molde |
| de metal de eletrodo | de espessura Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | Este molde de metal é uma placa de metal redonda com uma ranhura redonda de fundo plano e um padrão de eletrodo em relevo de 0,2 mm de espessura no meio da ranhura. | |
| Eritritol | Shandong Sanyuan Biotechnology Co., Ltd. | ||
| Álcool isopropílico (IPA) | Reagente químico Sinopharm Co., Ltd | 80109218 | |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2019 | |
| Medidor LCR | Keysight | EA4980AL | |
| Fio de metal | Hangzhou Hongtong WIRE& CABO Co., Ltd. | 2UEW / 155 | |
| Microscópio | Aosvi | T2-3M180 | |
| Software de modelagem numérica | COMSOL | COMSOL Multifísica 5.6 | |
| Polidimetilsiloxano (PDMS) | Dow Chemical Company | SYLGAR 184 Kit de elastômero de silicone | Duas partes (base e agente de cura) |
| Filme de vedação | Corning | PM-996 | parafilm |
| Si wafer | Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology Co.,Ltd | ZK20220416-03 | Diâmetro (mm): 50,8 +/- 0,3 Tipo/Orientação: P/100 Espessura (µ m): 525 +/- 25 |
| Tinta condutora de prata | Electron Microscopy Sciences | 12686-15 | |
| Motor de passo | BEIJING HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd | 57H B56L4-30DB | |
| Molde de metal de modelo de açúcar/eritritol | Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | Este molde de metal é uma placa de metal quadrada de 5 mm de espessura com uma ranhura quadrada de fundo plano de 2,5 mm de profundidade. | |
| Tolueno | Sinopharm, Ltd | 10022819 |
Referências
- Ozioko, O., et al. SensAct: The soft and squishy tactile Sensor with integrated flexible actuator. Advanced Intelligent Systems. 3 (3), 1900145(2021).
- Qiu, Y., et al.
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Reimpressões e permissões
