Повышение чувствительности мягких емкостных датчиков давления с использованием метода контроля пористости на основе испарения растворителя

Предложен новый способ изготовления гибкого конкурентного датчика давления с регулируемой производительностью. Это достигается путем регулировки массовой доли растворителя для контроля пористости диэлектрического слоя. Оптимизация конкурентоспособного датчика давления достигается с помощью экономичного и простого метода эксплуатации, который позволяет избежать использования сложных микропроизводственных мощностей.

Для изготовления пористого диэлектрического слоя PDMS взвесьте фильтрованный сахар и порошок эритрита с массовым соотношением 20 к 1 и равномерно перемешайте их встряхиванием. Залейте смесь в коммерчески полученную металлическую форму из сахарного эритрита и прижмите поверхность, чтобы наполнитель стал компактным. Нагрейте смесь в конвекционной печи при температуре 135 градусов Цельсия в течение двух часов.

После нагревания дайте смеси остыть при комнатной температуре, прежде чем удалять кусочки сахара. Чтобы изготовить диэлектрический слой PDMS с регулируемой пористостью, взвесьте пять граммов толуола, пять граммов основания PDMS и 0,5 грамма отвердителя PDM в центрифужной пробирке и равномерно перемешайте раствор. Центрифугируйте раствор при 875 г в течение 30 секунд при комнатной температуре, чтобы удалить пузырьки воздуха.

Поместите квадратный пористый шаблон сахар-эритрит в чашку Петри. Вставьте двусторонний скотч в качестве прокладок под четыре угла, чтобы поднять шаблон с поверхности чашки Петри. Налейте в шаблон раствор толуола PDMS и слегка наклоните блюдо, чтобы заполнить все промежутки между частицами сахара.

Затем поместите блюдо в вакуумный эксикатор и дегазируйте на 20 минут. После дегазации переложите блюдо из эксикатора в духовку при температуре 90 градусов Цельсия на 45 минут, чтобы толуол испарился и отверждал жидкий PDMS. Затем погрузите отвержденный PDMS, встроенный в пористый шаблон, в деионизированную воду.

Нагрейте на горячей плите при температуре 140 градусов Цельсия до полного растворения сахарного шаблона и очистите пористый PDMS деионизированной водой. Для изготовления гибких электродных слоев на основе ECPC сначала синтезируют чернила ECPC, взвешивая 0,16 грамма углеродных нанотрубок или УНТ и четыре грамма толуола в стакане. Накройте стакан герметизирующей пленкой, чтобы предотвратить испарение растворителя, и магнитно перемешивайте при 250 об/мин в течение 90 минут.

Взвесьте два грамма основы PDMS и два грамма толуола в стакане и поместите на магнитную мешалку при 200 об/мин на один час. После приготовления обоих растворов смешайте суспензию толуола УНТ с раствором толуола на основе PDMS и накройте стакан герметизирующей пленкой. Магнитно перемешивайте при 250 об/мин в течение двух часов.

После смешивания откройте стакан и добавьте 0,2 грамма отвердителя PDMS в смешанный раствор. Магнитно перемешивайте при температуре 75 градусов Цельсия и 250 об/мин в течение часа. Чтобы соскоблить электроды, взвесьте толуол, основание PDMS и отвердитель PDMS в центрифужной пробирке с массовым соотношением 2 к 10 к 1 и равномерно перемешайте раствор.

Затем центрифугируйте раствор при 875 г в течение 30 секунд при комнатной температуре, чтобы удалить пузырьки воздуха. Налейте 1,3 грамма раствора толуола PDMS в коммерчески полученную металлическую форму для электродов с рельефным рисунком электрода. Поместите форму в вакуумный эксикатор и дегазируйте в течение 10 минут.

Затем выдержите PDMS в форме на горячей плите при температуре 90 градусов Цельсия в течение 15 минут. После охлаждения при комнатной температуре снимите пленку PDMS с рисунком. Прикрепите плоскую сторону пленки PDMS к кремниевой пластине.

Соскребите чернила ECPC с рисунком электрода. Отверждайте чернила ECPC на горячей плите при температуре 90 градусов Цельсия в течение 15 минут. Для склеивания и упаковки мягких емкостных датчиков прикрепите металлическую проволоку к электроду.

Капните серебряную проводящую краску в месте соединения для хорошей проводимости и подождите, пока серебряная проводящая краска высохнет. Капните раствор PDMS на соединение, чтобы полностью запечатать высохшую серебряную проводящую краску. Выдержите PDMS на горячей плите при температуре 90 градусов Цельсия в течение 15 минут.

После отверждения повторите шаги, чтобы соединить провод для верхнего и нижнего слоев электродов. Равномерно нанесите тонкий слой PDMS на пленку электрода в качестве адгезионного слоя для сцепления между электродным и диэлектрическим слоями. Затем поместите пористый диэлектрический слой PDMS, изготовленный на слой электрода.

Отверждайте клей PDMS при температуре 95 градусов Цельсия в течение 10 минут. Поместите стеклянную чашку Петри на пористый PDMS, чтобы обеспечить хороший контакт между двумя слоями во время нагрева. Равномерно нанесите тонкий слой PDMS на другой слой электрода.

Затем переверните слой диэлектрика связанного электрода и поместите его на другой слой с одним электродом. После выравнивания двух электродов завершите склеивание между пористым слоем PDMS и другим слоем электродов. Для проверки производительности датчика управляйте шаговым двигателем, чтобы заставить индентор двигаться вниз по вертикали на запрограммированное расстояние.

Записывайте данные о емкости и стандартном давлении, увеличивая силу нагрузки с тем же интервалом в каждом последовательном цикле нагрузки, пока давление нагрузки не достигнет 40 ньютонов. Опять же, управляйте шаговым двигателем и записывайте данные о емкости и стандартном давлении. Повторите испытания на нагрузку и разгрузку в течение 2 500 циклов, записывая емкость испытуемого устройства в зависимости от стандартного показания давления.

Управляйте индентором, чтобы он быстро нажимал и оставался неподвижным в течение нескольких секунд, прежде чем вернуться к нулевой нагрузке Ньютона. Повторите эту процедуру пять раз и запишите емкость как функцию времени. Изображения с оптического микроскопа пористых диэлектрических слоев PDMS, изготовленных с различными массовыми соотношениями толуола PDMS, показали, что толщина стенки пор уменьшается с увеличением массовой доли раствора толуола PDMS.

Имитационный анализ показал, что более высокая пористость способствовала увеличению деформации сжатия с улучшенной линейностью при том же приложенном давлении сжатия. Кривая отклика емкостного давления датчиков с пористыми диэлектрическими слоями PDMS с различными массовыми соотношениями толуола PDMS показала различную чувствительность. В диапазоне нагрузок под давлением от 0 до 10 килопаскалей датчик с массовым отношением толуола PDMS один к одному показал в два раза более высокую чувствительность, чем датчик с массовым отношением толуола восемь к одному PDMS.

При повышенном давлении поры диэлектрического слоя постепенно уменьшались в размерах, уменьшая чувствительность, пока не достигли одинакового уровня для всех пористостей. Показана емкостная реакция на пять последовательных испытаний на нагрузку и разгрузку при одном и том же давлении нагрузки 10 килопаскалей. Время отклика загрузки оказалось равным 0,2 секунды.

Циклические испытания показали, что изготовленный по изготовлению мягкий емкостный датчик обладает превосходной повторяемостью после 2 500 циклов. Пористость диэлектрического слоя PDMS будет уменьшаться по мере увеличения массового отношения толуола PDMS, что повлияет на производительность датчика.