Summary
שיטת ייצור פשוטה וחסכונית המבוססת על טכניקת אידוי הממס מוצגת כדי לייעל את הביצועים של חיישן לחץ קיבולי רך, המתאפשר על ידי בקרת נקבוביות בשכבה הדיאלקטרית באמצעות יחסי מסה שונים של תמיסת PDMS/טולואן יציקה.
Abstract
חיישני לחץ רך ממלאים תפקיד משמעותי בפיתוח תחושת מישוש "אדם-מכונה" ברובוטיקה רכה ובממשקים הפטיים. באופן ספציפי, חיישנים קיבוליים עם מטריצות פולימריות מיקרו-מובנות נחקרו במאמץ ניכר בגלל רגישותם הגבוהה, טווח ליניאריות רחב וזמן תגובה מהיר. עם זאת, שיפור ביצועי החישה מסתמך לעתים קרובות על התכנון המבני של השכבה הדיאלקטרית, הדורש מתקני מיקרו-ייצור מתוחכמים. מאמר זה מדווח על שיטה פשוטה וזולה לייצור חיישני לחץ קיבולי נקבובי עם רגישות משופרת באמצעות שיטה מבוססת אידוי ממס לכוונון הנקבוביות. החיישן מורכב משכבה דיאלקטרית נקבובית של פולידימתילסילוקסאן (PDMS) המחוברת לאלקטרודות עליונות ותחתונות העשויות מפולימרים מרוכבים מוליכים אלסטיים (ECPCs). האלקטרודות הוכנו על ידי ננו-צינוריות פחמן (CNTs) מסוממות PDMS מסוממות לתוך יריעות PDMS בדוגמת עובש. כדי למטב את הנקבוביות של השכבה הדיאלקטרית לביצועי חישה משופרים, תמיסת PDMS נמהלה בטולואן של שברי מסה שונים במקום לסנן או לטחון את החומר יוצר נקבוביות הסוכר (PFA) לגדלים שונים. אידוי ממס הטולואן איפשר ייצור מהיר של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות ניתנות לשליטה. אושר כי ניתן לשפר את הרגישות פי שניים כאשר יחס טולואן ל-PDMS הוגדל מ-1:8 ל-1:1. המחקר המוצע בעבודה זו מאפשר שיטה זולה לייצור מאחזים רובוטיים רכים ביוניים משולבים במלואם עם קולטנים מכניים חושיים רכים של פרמטרים של חיישנים מתכווננים.
Introduction
בשנים האחרונות, חיישני לחץ גמישים מושכים תשומת לב בשל היישום החיוני שלהם ברובוטיקה רכה 1,2,3, ממשקים הפטיים "אדם-מכונה"4,5, וניטור בריאות 6,7,8. באופן כללי, מנגנוני חישת הלחץ כוללים פיאזו-התנגדות 1,4,7, פיאזואלקטרית 2,6, קיבולית 2,3,9,10,11,12,13 וטריבואלקטרית 8 חיישנים. ביניהם, חיישני לחץ קיבולי בולטים כאחת השיטות המבטיחות ביותר בחישה מישושית בשל רגישותם הגבוהה, גבול נמוך של גילוי (LOD) וכו '.
לביצועי חישה טובים יותר, מיקרו-מבנים שונים כגון מיקרו-פירמידות 2,9,14, מיקרו-עמודים 15 ומיקרו-נקבוביות 9,10,11,12,13,16,17 הוכנסו לחיישני לחץ קיבוליים גמישים, ושיטות הייצור עברו אופטימיזציה כדי לשפר עוד יותר את החישה הופעות של מבנים כאלה. עם זאת, רוב המבנים הללו דורשים מתקני מיקרו-פבריקציה מתוחכמים, מה שמגדיל משמעותית את עלויות הייצור ואת הקשיים התפעוליים. לדוגמה, כמיקרו-מבנה הנפוץ ביותר בחיישני לחץ רך, מיקרו-פירמידות מסתמכות על פרוסות Si המוגדרות ליטוגרפית וחרוטות רטובות כתבנית היציקה, הדורשת ציוד מדויק וסביבת חדר נקי קפדנית 9,14. לכן, מבנים מיקרו-נקבוביים (מבנים נקבוביים) שניתן לייצר בתהליכי ייצור פשוטים ובחומרי גלם זולים תוך שמירה על ביצועי חישה גבוהים משכו לאחרונה תשומת לב גוברת 9,10,11,12,13,16,17 . זה יידון, לצד החסרונות של שינוי PFA וכמותו, כמוטיבציה לשימוש בשיטת בקרת השברים שלנו.
כאן, עבודה זו מציעה שיטה פשוטה וזולה המבוססת על טכניקת אידוי ממס לייצור חיישן לחץ קיבולי גמיש נקבובי עם נקבוביות ניתנת לשליטה. תהליך הייצור המלא כולל ייצור של השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית, ציפוי הגירוד של האלקטרודות והדבקה של שלוש שכבות פונקציונליות. באופן ספציפי, עבודה זו משתמשת באופן חדשני בתמיסה מעורבת PDMS/טולואן עם יחס מסה מסוים כדי לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית המבוססת על תבנית תערובת סוכר/אריתריטול. בינתיים, גודל חלקיקי PFA אחיד מבטיח מורפולוגיה ופיזור אחידים של הנקבוביות; לפיכך, ניתן לשלוט בנקבוביות על ידי שינוי יחס המסה PDMS/טולואן. תוצאות הניסוי מראות כי ניתן לשפר את רגישות חיישן הלחץ המוצע יותר מפי שניים על ידי הגדלת יחס המסה PDMS/טולואן מ-1:8 ל-1:1. השונות בעובי דופן המיקרו-נקבוביות עקב יחסי מסה שונים של PDMS/טולואן מאושרת גם על ידי תמונות מיקרוסקופ אופטי. חיישן הלחץ הקיבולי הרך הממוטב מציג ביצועי חישה גבוהים עם רגישות וזמן תגובה של 3.47% kPa−1 ו- 0.2 שניות, בהתאמה. שיטה זו משיגה ייצור מהיר, זול וקל לתפעול של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות נשלטת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור חיישן לחץ קיבולי רך עם שכבה דיאלקטרית PDMS נקבובית
- ייצור השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית
- הכינו את התבנית הנקבובית של סוכר/אריתריטול לפי השלבים הבאים.
- מסננים את הסוכר עם מסננות מדגם עם צמצמים של 270 מיקרומטר ו 500 מיקרומטר. בחר סוכר עם קוטר חלקיקים בטווח של 270-500 מיקרומטר.
הערה: גודל חלקיקי סוכר גדול או קטן יותר מקובל גם כל עוד האחידות היא בגבולות הסבילות. קוטר חלקיק הסוכר ישפיע על גודל הנקבוביות של שכבת PDMS הנקבובית המיוצרת בשלב מאוחר יותר, אך לא יקבע את גודל הנקבוביות לחלוטין. - טוחנים אריתריטול (ראו טבלת חומרים) לאבקה כדי להבטיח ערבוב אחיד יותר עם הסוכר.
- שוקלים כמות מסוימת של סוכר מסונן ואבקת אריתריטול ביחס מסה של 20:1. נערו כדי לערבב אותם באופן שווה.
- מלאו את תערובת הסוכר/אריתריטול בתבנית מתכת של סוכר/אריתריטול שהושגה באופן מסחרי (ראו טבלת חומרים). לחץ על המשטח כדי להפוך את חומר המילוי לקומפקטי.
הערה: כדי להבטיח ניקוי קל בשלב הבא, ניתן להניח שכבה של רדיד אל בתבנית לפני הסוכר/אריתריטול. - חממו את התבנית עם תערובת הסוכר/אריתריטול בתנור הסעה בטמפרטורה של 135°C למשך שעתיים, כפי שמוצג באיור 1A. לאחר קירור בטמפרטורת החדר, מוציאים את צלחת הסוכר הגושית (כלומר, התבנית הנקבובית).
- מסננים את הסוכר עם מסננות מדגם עם צמצמים של 270 מיקרומטר ו 500 מיקרומטר. בחר סוכר עם קוטר חלקיקים בטווח של 270-500 מיקרומטר.
- לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנשלטת על ידי נקבוביות.
- שקלו 5 גרם טולואן, 5 גרם בסיס PDMS ו-0.5 גרם חומר ריפוי PDMS (ראו טבלת חומרים) בצינור צנטריפוגה (כלומר, יחס המסה של בסיס PDMS/טולואן/חומר ריפוי הוא 10:10:1). ערבבו את התמיסה באופן שווה.
הערה: יחס המסה של תמיסת בסיס PDMS לחומר ריפוי קבוע על 10:1, בעוד שיחס המסה של PDMS לטולואן משמש לשליטה על הנקבוביות של השכבה הדיאלקטרית PDMS. הנקבוביות פוחתת בעת הגדלת חלק PDMS. הנקבוביות המינימלית מתקבלת כאשר לא מוסיפים טולואן. - צנטריפוגה את התמיסה ב 875 x גרם במשך 30 שניות בטמפרטורת החדר כדי להסיר בועות אוויר.
הערה: אם נפח התמיסה גדול, ניתן להכין את התמיסה בכד. הטיפול הצנטריפוגלי מוחלף על ידי degassing ואקום במשך 15 דקות. - מניחים את התבנית הנקבובית מרובעת הסוכר/אריתריטול המתקבלת בשלב 1.1.1 בצלחת פטרי. הכניסו סרט דו-צדדי כספייסרים מתחת לארבע הפינות כדי להרים את התבנית משטח צלחת הפטרי.
הערה: ניתן למקם את התבנית גם על פרוסת Si, אך שיטה זו תוביל לשכבה עבה יותר של PDMS בממשק שבין התבנית לבין פרוסת Si, מה שעשוי להשפיע על ביצועי החיישן. - שפכו את תמיסת PDMS/טולואן על התבנית, והטו מעט את צלחת הפטרי כך שהתמיסה תוכל למלא לחלוטין את כל הרווחים בין חלקיקי הסוכר, כפי שמוצג באיור 1B.
- הניחו את צלחת הפטרי עם תבנית נקבובית מלאה בתמיסת PDMS/טולואן במייבש ואקום, ודגהו למשך 20 דקות.
- מעבירים את צלחת הפטרי ממייבש הוואקום לתנור ב-90°C למשך 45 דקות כדי לאדות את הטולואן ולרפא את ה-PDMS הנוזלי.
- טבלו את ה-PDMS הנרפא המוטבע בתבנית הנקבובית במים שעברו דה-יוניזציה (מי DI), כפי שמוצג באיור 1C. מחממים על פלטה חמה בחום של 140°C עד שתבנית הסוכר מתמוססת לחלוטין. נקו את ה-PDMS הנקבובי עם מי DI.
- שקלו 5 גרם טולואן, 5 גרם בסיס PDMS ו-0.5 גרם חומר ריפוי PDMS (ראו טבלת חומרים) בצינור צנטריפוגה (כלומר, יחס המסה של בסיס PDMS/טולואן/חומר ריפוי הוא 10:10:1). ערבבו את התמיסה באופן שווה.
- הכינו את התבנית הנקבובית של סוכר/אריתריטול לפי השלבים הבאים.
- ייצור שכבות האלקטרודות הגמישות על בסיס ECPCs
- סנתז את הדיו של ECPCs.
- שוקלים 0.16 גרם CNT (קוטר: 10-20 ננומטר, אורך: 10-30 מיקרומטר, ראו טבלת חומרים) ו-4 גרם טולואן בכד, ומערבבים מגנטית ב-250 סל"ד במשך שעה וחצי. בינתיים, שקלו 2 גרם בסיס PDMS ו-2 גרם טולואן לתוך כד, וערבבו מגנטית ב-200 סל"ד במשך שעה אחת. כסו את הכד בסרט איטום תוך כדי ערבוב למניעת אידוי הממס.
- ערבבו את מתלי CNTs/toluene עם תמיסת בסיס PDMS/טולואן, וכסו את הכד בסרט איטום. ערבוב מגנטי ב-250 סל"ד למשך שעתיים.
- הוסף 0.2 גרם של סוכן ריפוי PDMS לתמיסה המעורבת. ערבוב מגנטי ב-75°C וב-250 סל"ד למשך שעה. חשוף את הכד לאידוי הממס ולריכוז התרחיף בעת ערבוב, כפי שמוצג באיור 1D, E.
הערה: משך הערבוב והחימום מתכוונן. צמיגות התערובת עולה עם זמן הערבוב, מה שמקל על פעולת ציפוי הגירוד הבאה. עם זאת, משך הזמן לא צריך להיות ארוך מדי כדי למנוע פתרון PDMS מלרפא. כאשר התערובת מרוכזת לצמיגות נוחה לציפוי גירוד, תהליך סינתזת הדיו של ECPCs מסתיים.
- יש לגרד את האלקטרודות לפי השלבים הבאים.
- שקלו טולואן, בסיס PDMS וחומר ריפוי PDMS בצינור צנטריפוגה עם יחס מסה של 2:10:1. ערבבו את התמיסה באופן שווה.
- צנטריפוגה את התמיסה ב 875 x גרם במשך 30 שניות בטמפרטורת החדר כדי להסיר בועות אוויר.
- שפכו 1.3 גרם של תמיסת PDMS/טולואן לתוך תבנית מתכת אלקטרודה שהושגה באופן מסחרי (ראו טבלת חומרים) עם תבנית אלקטרודה מובלטת, כפי שמוצג באיור 1F.
הערה: עובי התבנית המובלטת בתחתית התבנית הוא 0.2 מ"מ. - מניחים את התבנית במייבש ואקום, ומורידים דגה למשך 10 דקות.
- לרפא את PDMS בתבנית על צלחת חמה ב 90 ° C במשך 15 דקות. יש לקלף את סרט ה-PDMS המעוצב לאחר קירור בטמפרטורת החדר.
- חבר את הצד השטוח של סרט PDMS לפרוסת Si (כלומר, חשוף את הצד עם תבנית האלקטרודות). ודא שלא קיימות בועות אוויר בין יריעת PDMS לבין פרוסת Si.
- ציפוי גירוד של דיו ECPCs שהוכן בשלב 1.2.1 לתוך תבנית האלקטרודות, כפי שמראה איור 1G . נקו את עודפי הדיו עם מגבון נטול אבק עם אלכוהול איזופרופיל (IPA).
- רפא את הדיו ECPCs על צלחת חמה ב- 90 ° C למשך 15 דקות.
- חזור על שלבים 1.2.2.3-1.2.2.8 כדי לייצר את שכבת האלקטרודה העליונה והתחתונה.
- סנתז את הדיו של ECPCs.
- מליטה ואריזה של חיישנים קיבוליים רכים
- חברו את חוט המתכת (ראו טבלת חומרים) לאלקטרודה. שחררו צבע מוליך כסף (ראו טבלת חומרים) במיקום החיבור כדי להבטיח מוליכות טובה, כפי שמוצג באיור 1H. המתינו עד שהצבע המוליך הכסוף יתייבש בטמפרטורת החדר.
- שחררו את תמיסת PDMS הנוזלית שהוכנה בשלב 1.2.2.1 על החיבור כדי לאטום לחלוטין את הצבע המוליך הכסוף המיובש. לרפא את PDMS על צלחת חמה ב 90 ° C במשך 15 דקות.
- חזור על שלבים 1.3.1-1.3.2 כדי לחבר את החוט עבור שכבת האלקטרודה העליונה והתחתונה.
- יש למרוח שכבה דקה של PDMS נוזלי שהוכנה בשלב 1.2.2.1 באופן שווה על סרט האלקטרודה כשכבת הדבקה לצורך חיבור בין שכבת האלקטרודה לשכבה הדיאלקטרית.
- הניחו את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית המיוצרת בשלב 1.1.2 על שכבת האלקטרודה.
- לרפא את דבק PDMS על צלחת חמה ב 95 ° C במשך 10 דקות. הניחו צלחת פטרי מזכוכית על ה-PDMS הנקבובי כדי להבטיח מגע טוב בין שתי השכבות במהלך החימום.
- חזור על שלב 1.3.4 עבור שכבת האלקטרודה השנייה. הפוך את שכבת האלקטרודה-דיאלקטרית המלוכדת שהתקבלה בשלב 1.3.6, ומקם אותה על שכבת האלקטרודה היחידה השנייה (כלומר, כדי ששכבת PDMS הנקבובית תהיה במגע ישיר עם שכבת האלקטרודה). ודא ששתי האלקטרודות מיושרות בקפדנות זו מול זו.
- חזור על שלב 1.3.6 כדי לסיים את החיבור בין שכבת PDMS הנקבובית לבין שכבת האלקטרודות השנייה.
הערה: איור של החיישן הסופי מוצג באיור 1I. איורים של המבנה והחומרים של החיישן מוצגים באיור 1J.
2. תהליך ניסיוני של אפיון ביצועי חיישנים
- הגדרת העמסת לחץ צעד ומערכת איסוף נתונים
- השתמש באינדנטר המודפס בתלת-ממד עם אזור טעינה בקוטר של 2.5 ס"מ עבור טעינת הלחץ (ראה טבלת חומרים) של החיישן הנבדק.
- תקן את הנכנס על שלב תנועה ליניארי אנכי הנשלט על ידי מנוע צעד (ראה טבלת חומרים) באמצעות חיישן לחץ משיכה סטנדרטי.
- מדוד את הקיבול של חיישן הלחץ הקיבולי הרך באמצעות מד LCR תוך הקלטת נתוני הלחץ הסטנדרטיים באמצעות התקן רכישת נתונים (DAQ). חבר הן את מד ה- LCR והן את ה- DAQ למחשב שבו פועלת תוכנית רישום הנתונים LabVIEW (ראה טבלת חומרים).
הערה: איורים של מערך הניסוי מוצגים באיור 2. קפיץ מוחל בין האינדנטר לבין חיישן לחץ המשיכה הסטנדרטי, אשר ממיר את התזוזה האנכית של שלב התנועה הליניארי ללחץ העמסה.
- בדיקת ביצועי החישה
- שלוט במנוע הצעד כדי להניע את האינדנדר לנוע מטה אנכית במרחק מתוכנת. רשום את הקיבול ואת נתוני הלחץ הסטנדרטיים על ידי הגדלת כוח ההעמסה באותו מרווח בכל מחזור טעינה רצוף עד שלחץ ההעמסה מגיע ל -40 N (~ 80 kPa).
- שלוט במנוע הצעד כדי להניע את האינדנדר לנוע אנכית באותו מרחק כמו בשלב האחרון. רשום את הקיבול ואת נתוני הלחץ הסטנדרטיים לאחר ייצוב הכניסה. חזור על הפעולה על ידי הפחתת כוח הטעינה באותו מרווח; בכל מחזור העמסה רצוף, לחץ ההעמסה יורד ל-0 N.
- שלוט במנוע הצעד כדי להניע את האינדנדר לנוע מטה אנכית במרחק מתוכנת. רשום את הקיבול ואת נתוני הלחץ הסטנדרטיים. חזור על בדיקות הטעינה והפריקה במשך 2,500 מחזורים תוך רישום הקיבול של המכשיר הנבדק (DUT) כפונקציה של קריאת הלחץ הסטנדרטית.
- שלוט ב- indenter ללחוץ כלפי מטה במהירות ולהישאר יציב למשך מספר שניות לפני שתחזור לטעינת 0 N. חזור על פעולה זו חמש פעמים, ורשום את הקיבול כפונקציה של זמן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התצלום של התבנית הנקבובית של סוכר/אריתריטול מוצג באיור 3A. איור 3B מראה את שכבת האלקטרודות הגמישה עם תבנית ECPCs מצופה שריטות. איור 3C מראה את חיישן הלחץ הקיבולי הרך עם שכבה דיאלקטרית נקבובית שיוצרה בשיטה המוצעת. ארבע שכבות דיאלקטריות PDMS נקבוביות יוצרו על בסיס תמיסות PDMS/טולואן עם יחסי מסה שונים של 1:1, 3:1, 5:1 ו-8:1, בהתאמה. תמונות מיקרוסקופ אופטי שמראות את מורפולוגיות הנקבוביות של המבנים השונים מוצגות באיור 3D. נמצא כי עובי דופן הנקבוביות גדל עם הגדלת יחס המסה של תמיסת PDMS/טולואן.
כדי לאמת את התלות של התכונות המכניות בנקבוביות, בוצע ניתוח אלמנטים סופיים (FEA) כדי לדמות את הלחץ המתפתח בשכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית כפונקציה של זן הדחיסה באמצעות תוכנת מידול נומרית מתקדמת (ראה טבלת חומרים). נוצר מודל תלת ממדי של PDMS נקבובי עם נקבוביות פתוחות, באורך של 2 מ"מ על ציר z. מיקום הנקבוביות היה קבוע, בעוד שהקטרים שונו כדי לקבל נקבוביות שונות. לחץ גובר הופעל בציר z, בעוד שתנאי גבול מחזוריים וסימטריים הופעלו בציר x ובציר y. תוצאת הסימולציה באיור 4A מראה כי נקבוביות גבוהה יותר תרמה לזן דחיסה גדול יותר עם ליניאריות משופרת תחת אותו לחץ דחיסה שהופעל. איור 4B,C מראה את עקומת תגובת הקיבול-לחץ של החיישנים עם שכבות דיאלקטריות נקבוביות PDMS עם יחסי מסה שונים של PDMS/טולואן. בטווח העמסת הלחץ של 0-10 kPa, החיישן עם יחס מסה של 1:1 PDMS/טולואן הציג את הרגישות הגבוהה ביותר של 3.47% kPa−1, שהייתה גבוהה יותר מפי שניים מזו של החיישן עם יחס מסה PDMS/טולואן 8:1 (1.48% kPa−1). ככל שהלחץ גדל, הנקבוביות בשכבה הדיאלקטרית הצטמצמו בהדרגה, מה שהוביל לירידה ברגישות עד שהיא הגיעה לאותה רמה של 0.66%-0.89% kPa−1 עבור כל הנקבוביות, כפי שמוצג באיור 4C. איור 4D מציג את התגובה הקיבולית לחמישה מבחני העמסה-פריקה רצופים תחת אותו לחץ העמסה של כ-10 kPa. זמן התגובה של הטעינה (כלומר, הזמן הדרוש לקיבול החיישן להגיע ל-90% מערך המצב היציב שלו) נקבע כ-0.2 שניות, כפי שמוצג באיור 4E. בנוסף, כפי שניתן לראות באיור 4F, הבדיקות המחזוריות גילו גם שלחיישן הקיבולי הרך המפוברק הייתה יכולת חזרה מצוינת לאחר 2,500 מחזורים.
איור 1: סכמה של תהליך הייצור. (A-C) זרימת הייצור של השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית. (ד,ה) הכנת דיו ECPCs. (ו,ז) תהליך ציפוי הגירוד של שכבת האלקטרודה. (ח,ט) תהליך חיבור החוטים וההדבקה של חיישן הלחץ הקיבולי הרך עם מבנה כריך השכבה הדיאלקטרית האלקטרודה-נקבובית. (י) איורים של המבנה והחומרים של החיישן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מערך ניסויי . (A) מערך העמסת לחץ מדרגה. (ב) מערכת איסוף נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מבני חיישנים . (A) צילום של תבנית סוכר/אריתריטול. (B) שכבת האלקטרודה הגמישה עם תבנית ECPCs מצופה שריטות. (C) צילום של חיישן הלחץ הקיבולי הרך עם השכבה הדיאלקטרית הנקבובית. (D) תמונות מיקרוסקופ אופטי של השכבות הדיאלקטריות PDMS הנקבוביות המיוצרות עם יחסי מסה שונים של PDMS/טולואן (בסיס PDMS:toluene = 1:1, 3:1, 5:1 ו-8:1). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תוצאת סימולציה ואפיון. (A) עקומת מאמץ מדומה של שכבות PDMS נקבוביות עם נקבוביות שונות תחת עומסים בלחץ נמוך. (ב,ג) עקומת תגובת לחץ של חיישני הלחץ הקיבוליים המיוצרים עם פתרונות PDMS/טולואן עם יחסי מסה שונים (בסיס PDMS:toluene = 1:1, 3:1, 5:1 ו- 8:1). (ד,ה) תגובה דינמית של החיישן (בסיס PDMS:toluene = 1:1). (F) תוצאת בדיקת היציבות של חיישן הלחץ הקיבולי הנקבובי (2,500 מחזורי טעינה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
עבודה זו מציעה שיטה פשוטה המבוססת על אידוי ממס כדי לשלוט על הנקבוביות, וסדרה של תוצאות ניסוי הוכיחו את היתכנותה. למרות שהמבנה הנקבובי נמצא בשימוש נרחב בחיישן הלחץ הקיבולי הגמיש, בקרת הנקבוביות עדיין זקוקה לאופטימיזציה נוספת. בניגוד לשיטות הקיימות לשינוי גודל החלקיקים של PFA 11,12,13,18,19 והיחס בין מצע פולימרי ל-PFA 17,20, אנו משנים את ריכוז תמיסת המצע הפולימרי תוך שמירה על גודל ה-PFA (כלומר, סוכר) אחיד. כתוצאה מכך, עובי דופן הנקבוביות משתנה בעוד פיזור הנקבוביות מחזיק, מה שאומר שניתן לשלוט בנקבוביות על ידי ריכוז התמיסה.
השלב הקריטי ביותר לבקרת נקבוביות הוא הכנת תמיסת PDMS/טולואן. יחסי המסה של תמיסת PDMS/טולואן נבחרו כ-1:1, 3:1, 5:1 ו-8:1, בהתאמה, כדי לייצר שכבות דיאלקטריות עם נקבוביות שונות. אושר בניסוי כי הירידה ביחס המסה הובילה לנקבוביות גבוהה יותר ולרגישות מוגברת בטווח הלחץ הנמוך.
חימום תערובת הסוכר/אריתריטול כדי לייצר את התבנית הנקבובית הוא גם צעד קריטי וחדשני. בשונה מהשיטות הקיימות של חימום סוכר טהור 21,22, הוספת מים23 והפעלת לחץ 24, הפרש נקודות ההתכה של שני רכיבי PFA אלה נוצל לייצור התבנית הנקבובית. בפרוטוקול זה, טמפרטורת החימום גבוהה מנקודת ההתכה של אריתריטול ונמוכה מנקודת ההתכה של סוכר. לכן, אבקת אריתריטול נמסה בהדרגה במהלך תהליך החימום ומחברת את חלקיקי הסוכר המוצק לגוש סוכר צלחת. יחס המסה של סוכר לאריתריטול נמצא גם הוא חיוני להצלחת צעד זה. חלק גבוה יותר של אריתריטול ימלא את הפער בין חלקיקי הסוכר, בעוד שחלק נמוך יותר יוביל לכשל בחיבור.
עם זאת, קיימות מגבלות מסוימות במכשיר המיוצר בשיטה זו. ככל שלחץ ההעמסה עולה, הנקבוביות בשכבה הדיאלקטרית נסגרות בהדרגה, ודפנות הנקבוביות באות במגע זו עם זו, והתוצאה היא תכונה מכנית מוצקה יותר דמוית PDMS. תופעה זו מסבירה את עצמאות הרגישות מנקבוביות, שנמצאה בטווח הלחץ הגבוה מעל 40 kPa עבור החיישן שלנו. ראוי גם לציין כי החיישן שנעשה עם יחס מסה בסיס PDMS / טולואן 8:1 הראה רגישות גבוהה משמעותית של 3.78% kPa−1 בהשוואה לחיישנים אחרים מתחת ל -5 kPa, אשר ניתן לייחס לצימוד של התכונות המכניות והחשמליות המושרות על ידי המבנה הנקבובי.
המחקר המוצע בעבודה זו מאפשר שיטת ייצור זולה וקלה לתפעול של חיישני לחץ קיבוליים נקבוביים עם פרמטרים של חיישני כוונון, שיש לה סיכויי יישום רחבים ברובוטיקה רכה, ממשקים הפטיים וכו '. בעתיד, ניתן יהיה להמשיך ולחקור מאחזים רובוטיים רכים ביוניים משולבים במלואם עם קולטנים מכניים חושיים רכים של פרמטרים של חיישני כוונון על בסיס שיטה זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 62273304.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | X-MAX | |
| 3D printing metarials | Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd | 3D Printing Filament PLA 1.75 mm | |
| Carbon nanotubes (CNTs) | XFNANO | XFM13 | |
| Data acquisition (DAQ) | National Instruments | USB6002 | |
| Double side tape | Minnesota Mining and Manufacturing (3M) | 3M VHB 4910 | 1 mm thick |
| Electrode metal mold | Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | This metal mold is a round metal plate with a flat bottom round groove and an embossed electrode pattern of 0.2 mm thick in the middle of the groove. | |
| Erythritol | Shandong Sanyuan Biotechnology Co.,Ltd. | ||
| Isopropyl Alcohol (IPA) | Sinopharm chemical reagent Co., Ltd | 80109218 | |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2019 | |
| LCR meter | Keysight | EA4980AL | |
| Metal wire | Hangzhou Hongtong WIRE&CABLE Co., Ltd. | 2UEW/155 | |
| Microscope | Aosvi | T2-3M180 | |
| Numerical modeling software | COMSOL | COMSOL Multiphysics 5.6 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Chemical Company | SYLGAR 184 Silicone Elastomer Kit | Two parts (base and curing agent) |
| Sealing film | Corning | PM-996 | parafilm |
| Si wafer | Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology Co.,Ltd | ZK20220416-03 | Diameter (mm): 50.8 +/- 0.3 Type/Orientation: P/100 Thickness (µm): 525 +/- 25 |
| Silver conductive paint | Electron Microscopy Sciences | 12686-15 | |
| Stepping motor | BEIJING HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd | 57H B56L4-30DB | |
| Sugar/erythritol template metal mold | Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd | This metal mold is a 5 mm thick square metal plate with a flat bottom square groove of 2.5 mm deep. | |
| Toluene | Sinopharm chemical reagent Co., Ltd | 10022819 |
References
- 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. A biomimetic drosera capensis with adaptive decision-predation behavior based on multifunctional sensing and fast actuating capability. Advanced Functional Materials. 32 (13), 2110296 (2021).
- Ntagios, M., Nassar, H., Pullanchiyodan, A., Navaraj, W. T., Dahiya, R. Robotic hands with intrinsic tactile sensing via 3D printed soft pressure sensors. Advanced Intelligent Systems. 2 (6), 1900080 (2019).
- Tang, Z., Jia, S., Zhou, C., Li, B. 3D Printing of highly sensitive and large-measurement-range flexible pressure sensors with a positive piezoresistive effect. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (25), 28669-28680 (2020).
- Dai, Y., Chen, J., Tian, W., Xu, L., Gao, S. A PVDF/Au/PEN multifunctional flexible human-machine interface for multidimensional sensing and energy harvesting for the internet of things. IEEE Sensors Journal. 20 (14), 7556-7568 (2020).
- Yang, Y., et al. Flexible piezoelectric pressure sensor based on polydopamine-modified BaTiO3/PVDF composite film for human motion monitoring. Sensors and Actuators A: Physical. 301, 111789 (2020).
- Gao, Y. J., et al. Wearable microfluidic diaphragm pressure sensor for health and tactile touch monitoring. Advanced Materials. 29 (39), 1701985 (2017).
- Meng, K., et al. Flexible weaving constructed self-powered pressure sensor enabling continuous diagnosis of cardiovascular disease and measurement of cuffless blood pressure. Advanced Functional Materials. 29 (5), 180688 (2019).
- Yang, J. C., et al. Microstructured porous pyramid-based ultrahigh sensitive pressure sensor insensitive to strain and temperature. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (21), 19472-19480 (2019).
- Chen, S., Zhuo, B., Guo, X. Large area one-step facile processing of microstructured elastomeric dielectric film for high sensitivity and durable sensing over wide pressure range. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (31), 20364-20370 (2016).
- Ding, H., et al. Influence of the pore size on the sensitivity of flexible and wearable pressure sensors based on porous Ecoflex dielectric layers. Materials Research Express. 6 (6), 066304 (2019).
- Yoon, J. I., Choi, K. S., Chang, S. P. A novel means of fabricating microporous structures for the dielectric layers of capacitive pressure sensor. Microelectronic Engineering. 179, 60-66 (2017).
- Wang, J., Li, L., Zhang, L., Zhang, P., Pu, X. Flexible capacitive pressure sensors with micro-patterned porous dielectric layer for wearable electronics. Journal of Micromechanics and Microengineering. 32 (3), 034003 (2022).
- Mannsfeld, S. C. B., et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nature Materials. 9 (10), 859-864 (2010).
- Wan, Y., et al. A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high-aspect-ratio microstructures. Advanced Electronic Materials. 4 (4), 1700586 (2018).
- Kwon, D., et al. Highly sensitive, flexible, and wearable pressure sensor based on a giant piezocapacitive effect of three-dimensional microporous elastomeric dielectric layer. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (26), 16922-16931 (2016).
- Li, W., et al. A porous and air gap elastomeric dielectric layer for wearable capacitive pressure sensor with high sensitivity and a wide detection range. Journal of Materials Chemistry C. 8 (33), 11468-11476 (2020).
- Kim, J. O., et al. Highly ordered 3D microstructure-based electronic skin capable of differentiating pressure, temperature, and proximity. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (1), 1503-1511 (2019).
- Lo, L. W., et al. A soft sponge sensor for multimodal sensing and distinguishing of pressure, strain, and temperature. ACS Applied Materials & Interfaces. 14 (7), 9570-9578 (2022).
- Hwang, J., Kim, Y., Yang, H., Oh, J. H. Fabrication of hierarchically porous structured PDMS composites and their application as a flexible capacitive pressure sensor. Composites Part B: Engineering. 211, 108607 (2021).
- Jung, Y., et al. Linearly sensitive pressure sensor based on a porous multistacked composite structure with controlled mechanical and electrical properties. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (24), 28975-28984 (2021).
- Choi, J., et al. Synergetic effect of porous elastomer and percolation of carbon nanotube filler toward high performance capacitive pressure sensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (1), 1698-1706 (2020).
- Choi, S. J., et al. A polydimethylsiloxane (PDMS) sponge for the selective absorption of oil from water. ACS Applied Materials & Interfaces. 3 (12), 4552-4556 (2011).
- Rinaldi, A., Tamburrano, A., Fortunato, M., Sarto, M. S. A flexible and highly sensitive pressure sensor based on a PDMS foam coated with graphene nanoplatelets. Sensors. 16 (12), 2148 (2016).
