Aumento da sensibilidade de sensores de pressão capacitivos macios usando uma técnica de controle de porosidade baseada em evaporação de solvente

Propusemos um novo método para fabricar sensores de pressão competitivos flexíveis com desempenho controlável. É realizado ajustando-se a fração mássica do solvente para controlar a porosidade da camada dielétrica. A otimização do sensor de pressão competitivo é realizada por um método econômico e de fácil operação que evita o uso de instalações sofisticadas de microfabricação.

Para fabricar a camada dielétrica porosa de PDMS, pesar o açúcar filtrado e o pó de eritritol com uma relação de massa de 20 para 1 e misturá-los uniformemente agitando. Encha a mistura em um molde metálico de eritritol de açúcar obtido comercialmente e pressione a superfície para tornar o enchimento compacto. Aqueça a mistura em forno de convecção a 135 graus Celsius por duas horas.

Após o aquecimento, deixe a mistura arrefecer à temperatura ambiente antes de remover o açúcar da placa de caroço. Para fabricar a camada dielétrica PDMS controlável por porosidade, pese cinco gramas de tolueno, cinco gramas de base PDMS e 0,5 gramas de agente de cura PDMs em um tubo de centrífuga e agite a solução uniformemente. Centrifugar a solução a 875G durante 30 segundos à temperatura ambiente para remover bolhas de ar.

Coloque o molde poroso quadrado de açúcar-eritritol em uma placa de Petri. Insira fita dupla face como espaçadores sob os quatro cantos para levantar o molde da superfície da placa de Petri. Despeje a solução de tolueno PDMS no molde e incline levemente o prato para preencher todas as lacunas entre as partículas de açúcar.

Em seguida, coloque o prato em um exsicador a vácuo e desgaseifique por 20 minutos. Após a desgaseificação, transfira a placa do exsicador para o forno a 90 graus Celsius por 45 minutos para evaporar o tolueno e curar o PDMS líquido. Em seguida, mergulhe o PDMS curado embutido no molde poroso em água deionizada.

Aqueça em uma placa quente a 140 graus Celsius até que o molde de açúcar se dissolva completamente e limpe o PDMS poroso com água deionizada. Para a fabricação das camadas de eletrodos flexíveis com base em ECPCs, primeiro, sintetize a tinta ECPCs pesando 0,16 gramas de nanotubos de carbono, ou CNTs, e quatro gramas de tolueno em um béquer. Cubra o copo com filme de vedação para evitar a evaporação do solvente e mexa magneticamente a 250 RPM por 90 minutos.

Pesar dois gramas de base PDMS e dois gramas de tolueno num copo e colocar num agitador magnético a 200 RPM durante uma hora. Após a preparação de ambas as soluções, misture a suspensão de tolueno CNTs com a solução de tolueno base PDMS e cubra o copo com uma película de vedação. Mexa magneticamente a 250 RPM por duas horas.

Após a mistura, descubra o copo e adicione 0,2 gramas de agente de cura PDMS na solução mista. Mexa magneticamente a 75 graus Celsius e 250 RPM por uma hora. Para raspar os eletrodos, pesar tolueno, base PDMS e agente de cura PDMS em um tubo de centrífuga com uma relação de massa de 2 a 10 para 1 e agitar a solução uniformemente.

Em seguida, centrifugar a solução a 875G por 30 segundos à temperatura ambiente para remover bolhas de ar. Despeje 1,3 gramas de solução de tolueno PDMS em um molde metálico de eletrodo obtido comercialmente com um padrão de eletrodo em relevo. Coloque o molde em um exsicador a vácuo e desgaseifique por 10 minutos.

Em seguida, cure o PDMS no molde em uma placa quente a 90 graus Celsius por 15 minutos. Após o resfriamento à temperatura ambiente, descasque o filme PDMS padronizado. Conecte o lado plano do filme PDMS a um wafer de silício.

Revestir a tinta ECPCs no padrão de eletrodos. Cure a tinta do ECPC em placa quente a 90 graus Celsius por 15 minutos. Para colagem e embalagem dos sensores capacitivos macios, prenda o fio metálico ao eletrodo.

Solte a tinta condutiva prateada no local de conexão para uma boa condutividade e aguarde até que a tinta condutora prateada seque. Solte a solução PDMS na conexão para selar completamente a tinta condutora de prata seca. Cure o PDMS em uma placa quente a 90 graus Celsius por 15 minutos.

Após a cura, repita os passos para conectar o fio para as camadas superior e inferior do eletrodo. Aplicar uma fina camada de PDMS uniformemente sobre o filme do eletrodo como uma camada de adesão para a ligação entre o eletrodo e as camadas dielétricas. Em seguida, coloque a camada dielétrica porosa de PDMS fabricada sobre a camada de eletrodos.

Cure a cola PDMS a 95 graus Celsius por 10 minutos. Coloque uma placa de Petri de vidro sobre o PDMS poroso para garantir um bom contato entre as duas camadas durante o aquecimento. Aplique uma fina camada de PDMS uniformemente sobre a outra camada de eletrodos.

Em seguida, inverta a camada dielétrica do eletrodo colado e coloque-a na outra camada de eletrodo único. Após o alinhamento dos dois eletrodos, finalizar a colagem entre a camada porosa de PDMS e a outra camada de eletrodos. Para testar o desempenho de detecção, controle o motor de passo para acionar o recuo para se mover verticalmente por uma distância programada.

Registre os dados de capacitância e pressão padrão aumentando a força de carregamento com o mesmo intervalo em cada ciclo de carregamento consecutivo até que a pressão de carregamento atinja 40 Newtons. Novamente, controle o motor de passo e registre a capacitância e os dados de pressão padrão. Repita os testes de carga e descarga por 2.500 ciclos enquanto registra a capacitância do dispositivo em teste em função da leitura de pressão padrão.

Controle o recuo para pressionar rapidamente e permanecer estável por alguns segundos antes de retornar à carga zero de Newton. Repita este procedimento cinco vezes e registre a capacitância em função do tempo. Imagens de microscópio óptico das camadas dielétricas porosas de PDMS fabricadas com diferentes razões de massa de tolueno PDMS mostraram que a espessura da parede dos poros diminuiu com o aumento da razão de massa da solução de tolueno PDMS.

A análise de simulação mostrou que uma maior porosidade contribuiu para uma maior deformação compressiva, com melhor linearidade sob a mesma pressão de compressão aplicada. A curva de resposta à pressão de capacitância dos sensores com camadas dielétricas porosas de PDMS com diferentes razões de massa de tolueno PDMS exibiu sensibilidade diferente. Na faixa de carga de pressão de 0 a 10 quilopascals, o sensor com uma relação de massa de tolueno PDMS de um para um exibiu sensibilidade duas vezes maior do que o sensor com a razão de massa de tolueno PDMS de oito para um.

Com o aumento da pressão, os poros da camada dielétrica foram diminuindo gradativamente de tamanho, diminuindo a sensibilidade até atingir o mesmo nível para todas as porosidades. A resposta capacitiva a cinco testes consecutivos de carga e descarga sob a mesma pressão de carregamento de 10 kilopascals é mostrada. O tempo de resposta do carregamento foi de 0,2 segundos.

Os testes cíclicos revelaram que o sensor capacitivo macio fabricado como fabricado apresentou excelente repetibilidade após 2.500 ciclos. A porosidade da camada dielétrica do PDMS diminuirá à medida que a relação de massa do tolueno do PDMS aumentar, o que afetará o desempenho do sensor.