Summary
Es wird eine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode vorgestellt, die auf der Lösungsmittelverdampfungstechnik basiert, um die Leistung eines weich-kapazitiven Drucksensors zu optimieren, was durch Porositätskontrolle in der dielektrischen Schicht unter Verwendung verschiedener Massenverhältnisse der PDMS/Toluol-Lösung ermöglicht wird.
Abstract
Weichdrucksensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des "Mensch-Maschine"-Tastgefühls in der Softrobotik und haptischen Schnittstellen. Insbesondere kapazitive Sensoren mit mikrostrukturierten Polymermatrizes wurden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres breiten Linearitätsbereichs und ihrer schnellen Ansprechzeit mit erheblichem Aufwand erforscht. Die Verbesserung der Sensorleistung hängt jedoch häufig vom strukturellen Design der dielektrischen Schicht ab, was ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen erfordert. Dieser Artikel berichtet über eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung poröser kapazitiver Drucksensoren mit verbesserter Empfindlichkeit unter Verwendung der lösungsmittelbasierten Verdampfungsmethode zur Abstimmung der Porosität. Der Sensor besteht aus einer porösen Dielektrikumsschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), die mit oberen und unteren Elektroden aus elastischen leitfähigen Polymerkompositen (ECPCs) verbunden ist. Die Elektroden wurden hergestellt, indem mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) dotierte, leitfähige PDMS-Aufschlämmung in PDMS-Schichten mit Formmuster versehen wurde. Um die Porosität der dielektrischen Schicht für eine verbesserte Sensorleistung zu optimieren, wurde die PDMS-Lösung mit Toluol unterschiedlicher Massenanteile verdünnt, anstatt das Zuckerporenbildner (PFA) in verschiedene Größen zu filtern oder zu mahlen. Die Verdampfung des Toluol-Lösungsmittels ermöglichte die schnelle Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbaren Porositäten. Es konnte bestätigt werden, dass die Empfindlichkeit um das Zweifache gesteigert werden konnte, wenn das Toluol-PDMS-Verhältnis von 1:8 auf 1:1 erhöht wurde. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Forschung ermöglicht eine kostengünstige Methode zur Herstellung von voll integrierten bionischen Soft-Robotergreifern mit weichen sensorischen Mechanorezeptoren von einstellbaren Sensorparametern.
Introduction
In den letzten Jahren haben flexible Drucksensoren aufgrund ihrer unverzichtbaren Anwendung in der Softrobotik 1,2,3, den haptischen Schnittstellen "Mensch-Maschine" 4,5 und der Gesundheitsüberwachung 6,7,8 Aufmerksamkeit erregt. Im Allgemeinen umfassen die Mechanismen für die Druckmessung piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisch 2,6, kapazitiv 2,3,9,10,11,12,13 und triboelektrisch 8 Sensoren. Unter ihnen zeichnen sich kapazitive Drucksensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, niedrigen Nachweisgrenze (LOD) usw. als eine der vielversprechendsten Methoden in der taktilen Sensorik aus.
Um eine bessere Sensorleistung zu erzielen, wurden verschiedene Mikrostrukturen wie Mikropyramiden2, 9, 14, Mikrosäulen15 und Mikroporen 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17 in flexible kapazitive Drucksensoren eingeführt, und die Herstellungsmethoden wurden ebenfalls optimiert, um die Sensorik weiter zu verbessern Aufführungen solcher Strukturen. Die meisten dieser Strukturen erfordern jedoch ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen, was die Herstellungskosten und Betriebsschwierigkeiten erheblich erhöht. Mikropyramiden sind beispielsweise die am häufigsten verwendete Mikrostruktur in Weichdrucksensoren und basieren auf lithografisch definierten und nassgeätzten Si-Wafern als Formvorlage, was Präzisionsgeräte und eine strenge Reinraumumgebung erfordert 9,14. Daher haben Mikroporenstrukturen (poröse Strukturen), die durch einfache Herstellungsprozesse und mit kostengünstigen Rohstoffen unter Beibehaltung hoher Sensorleistungen hergestellt werden können,in letzter Zeit zunehmend Aufmerksamkeit erregt 9,10,11,12,13,16,17 . Dies wird, zusammen mit den Nachteilen einer Änderung der PFA und ihrer Menge, als Motivation für die Verwendung unserer Fraktionskontrollmethode diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine einfache und kostengünstige Methode vorgeschlagen, die auf der Lösungsmittel-Verdampfungstechnik basiert, um einen porösen, flexiblen kapazitiven Drucksensor mit kontrollierbarer Porosität herzustellen. Der komplette Herstellungsprozess umfasst die Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht, die Abstandsbeschichtung der Elektroden und die Verklebung von drei Funktionsschichten. Konkret wird in dieser Arbeit eine PDMS/Toluol-Mischlösung mit einem bestimmten Massenverhältnis verwendet, um die poröse dielektrische PDMS-Schicht auf der Grundlage des Zucker/Erythrit-Gemischs herzustellen. Währenddessen sorgt eine gleichmäßige PFA-Partikelgröße für eine gleichmäßige Porenmorphologie und -verteilung; So kann die Porosität durch Änderung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses gesteuert werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Drucksensors durch eine Erhöhung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses von 1:8 auf 1:1 um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Die Variation der Mikroporenwanddicke aufgrund unterschiedlicher PDMS/Toluol-Massenverhältnisse wird auch durch lichtmikroskopische Aufnahmen bestätigt. Der optimierte weich-kapazitive Drucksensor zeigt eine hohe Schaltleistung mit einer Empfindlichkeit und Reaktionszeit von 3,47 % kPa−1 bzw. 0,2 s. Mit diesem Verfahren wird die schnelle, kostengünstige und einfach zu bedienende Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbarer Porosität erreicht.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Herstellung des weich-kapazitiven Drucksensors mit einer porösen dielektrischen PDMS-Schicht
- Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht
- Bereiten Sie die poröse Zucker-/Erythrit-Schablone vor, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
- Filtrieren Sie den Zucker mit Probensieben mit Öffnungen von 270 μm und 500 μm. Wählen Sie Zucker mit einem Partikeldurchmesser im Bereich von 270-500 μm.
Anmerkungen: Eine größere oder kleinere Zuckerpartikelgröße ist ebenfalls zulässig, solange die Gleichmäßigkeit innerhalb der Toleranzgrenzen liegt. Der Durchmesser des Zuckerpartikels beeinflusst die Porengröße der porösen PDMS-Schicht, die in einem späteren Schritt hergestellt wird, bestimmt die Porengröße jedoch nicht vollständig. - Mahlen Sie Erythrit (siehe Materialtabelle) zu Pulver, um eine gleichmäßigere Vermischung mit dem Zucker zu gewährleisten.
- Wiegen Sie eine bestimmte Menge Filterzucker und Erythritpulver mit einem Massenverhältnis von 20:1 ab. Schütteln, um sie gleichmäßig zu mischen.
- Füllen Sie das Zucker/Erythrit-Gemisch in eine handelsübliche Zucker/Erythrit-Metallform (siehe Materialtabelle). Drücken Sie auf die Oberfläche, um den Füllstoff kompakt zu machen.
Anmerkungen: Um eine einfache Entformung im nächsten Schritt zu gewährleisten, kann vor dem Zucker/Erythrit eine Schicht Al-Folie in die Form gelegt werden. - Erhitzen Sie die Form mit dem Zucker-Erythrit-Gemisch in einem Umluftofen bei 135 °C für 2 h, wie in Abbildung 1A gezeigt. Nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur den Würfelzucker (d.h. die poröse Schablone) herausnehmen.
- Filtrieren Sie den Zucker mit Probensieben mit Öffnungen von 270 μm und 500 μm. Wählen Sie Zucker mit einem Partikeldurchmesser im Bereich von 270-500 μm.
- Herstellung der porositätskontrollierbaren dielektrischen PDMS-Schicht.
- Wiegen Sie 5 g Toluol, 5 g PDMS-Base und 0,5 g PDMS-Härter (siehe Materialtabelle) in einem Zentrifugenröhrchen ab (d. h. das Massenverhältnis von PDMS-Base/Toluol/Härter beträgt 10:10:1). Rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.
Anmerkungen: Das Massenverhältnis von PDMS-Basislösung zu Härter ist auf 10:1 festgelegt, während das Massenverhältnis von PDMS zu Toluol verwendet wird, um die Porosität der dielektrischen PDMS-Schicht zu steuern. Die Porosität nimmt mit zunehmender PDMS-Fraktion ab. Die minimale Porosität wird erreicht, wenn kein Toluol zugesetzt wird. - Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 x g für 30 s bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.
Anmerkungen: Wenn das Lösungsvolumen groß ist, kann die Lösung in einem Becherglas zubereitet werden. Die Zentrifugalbehandlung wird durch eine Vakuumentgasung für 15 min ersetzt. - Die in Schritt 1.1.1 erhaltene quadratische poröse Zucker-/Erythrit-Schablone wird in eine Petrischale gegeben. Legen Sie doppelseitiges Klebeband als Abstandshalter unter die vier Ecken, um die Schablone von der Oberfläche der Petrischale abzuheben.
HINWEIS: Die Vorlage kann auch auf einem Si-Wafer platziert werden, aber diese Methode führt zu einer dickeren PDMS-Schicht an der Grenzfläche zwischen der Vorlage und dem Si-Wafer, was die Sensorleistung beeinträchtigen kann. - Gießen Sie die PDMS/Toluol-Lösung auf die Schablone und neigen Sie die Petrischale leicht, damit die Lösung alle Lücken zwischen den Zuckerpartikeln vollständig ausfüllen kann, wie in Abbildung 1B gezeigt.
- Stellen Sie die Petrischale mit der mit PDMS/Toluollösung gefüllten porösen Schablone in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 20 Minuten lang.
- Die Petrischale aus dem Vakuumexsikkator für 45 min bei 90 °C in den Ofen geben, um das Toluol zu verdampfen und das flüssige PDMS auszuhärten.
- Tauchen Sie das ausgehärtete PDMS, das in die poröse Matrize eingebettet ist, in deionisiertes Wasser (DI-Wasser), wie in Abbildung 1C gezeigt. Auf einer heißen Platte bei 140 °C erhitzen, bis sich die Zuckerschablone vollständig aufgelöst hat. Reinigen Sie das poröse PDMS mit DI-Wasser.
- Wiegen Sie 5 g Toluol, 5 g PDMS-Base und 0,5 g PDMS-Härter (siehe Materialtabelle) in einem Zentrifugenröhrchen ab (d. h. das Massenverhältnis von PDMS-Base/Toluol/Härter beträgt 10:10:1). Rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.
- Bereiten Sie die poröse Zucker-/Erythrit-Schablone vor, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
- Herstellung der flexiblen Elektrodenschichten auf Basis von ECPCs
- Synthetisieren Sie die Auto-Schutzpatrone.
- 0,16 g CNTs (Durchmesser: 10-20 nm, Länge: 10-30 μm, siehe Materialtabelle) und 4 g Toluol in einem Becherglas abwiegen und 1,5 h bei 250 U/min magnetisch umrühren. In der Zwischenzeit 2 g PDMS-Base und 2 g Toluol in ein Becherglas geben und 1 Stunde lang bei 200 U/min magnetisch umrühren. Decken Sie das Becherglas unter Rühren mit Dichtungsfolie ab, um eine Verdunstung des Lösungsmittels zu verhindern.
- Mischen Sie die CNTs/Toluol-Suspension mit der PDMS-Basis/Toluol-Lösung und decken Sie das Becherglas mit einer Siegelfolie ab. 2 h bei 250 U/min magnetisch umrühren.
- 0,2 g PDMS-Härter in die Mischlösung geben. Magnetisch rühren bei 75 °C und 250 U/min für 1 h. Decken Sie das Becherglas beim Rühren auf Lösungsmittelverdampfung und Suspensionskonzentration ab, wie in Abbildung 1D, E gezeigt.
Anmerkungen: Die Dauer des Rührens und Erhitzens ist einstellbar. Die Viskosität des Gemischs nimmt mit der Rührzeit zu, was den anschließenden Kratzerbeschichtungsvorgang erleichtert. Die Dauer sollte jedoch nicht zu lang sein, um ein Aushärten der PDMS-Lösung zu verhindern. Wenn die Mischung auf eine Viskosität konzentriert ist, die für die Kratzbeschichtung geeignet ist, ist der ECPC-Tintensyntheseprozess abgeschlossen.
- Kratzen Sie die Elektroden ab, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
- Wiegen Sie Toluol, PDMS-Base und PDMS-Härter in einem Zentrifugenröhrchen mit einem Massenverhältnis von 2:10:1 ab. Rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.
- Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 x g für 30 s bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.
- Gießen Sie 1,3 g PDMS/Toluol-Lösung in eine kommerziell hergestellte Elektrodenmetallform (siehe Materialtabelle) mit einem geprägten Elektrodenmuster, wie in Abbildung 1F gezeigt.
Anmerkungen: Das Prägemuster am Boden der Form ist 0,2 mm dick. - Legen Sie die Form in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 10 Minuten lang.
- Das PDMS in der Form auf einer heißen Platte bei 90 °C für 15 min aushärten. Ziehen Sie die gemusterte PDMS-Folie nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur ab.
- Befestigen Sie die flache Seite der PDMS-Folie auf einem Si-Wafer (d. h. belichten Sie die Seite mit dem Elektrodenmuster). Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen zwischen der PDMS-Folie und dem Si-Wafer befinden.
- Die in Schritt 1.2.1 hergestellte ECPC-Tinte wird in das Elektrodenmuster abgekratzt, wie Abbildung 1G zeigt. Reinigen Sie die überschüssige Tinte mit einem in Isopropylalkohol (IPA) getauchten, staubfreien Tuch.
- Die ECPC-Tinte auf einer Heizplatte bei 90 °C für 15 min aushärten.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.2.2.3-1.2.2.8, um sowohl die obere als auch die untere Elektrodenschicht herzustellen.
- Synthetisieren Sie die Auto-Schutzpatrone.
- Verklebung und Konfektionierung der weich-kapazitiven Sensoren
- Befestigen Sie den Metalldraht (siehe Materialtabelle) an der Elektrode. Tropfen Sie silberne leitfähige Farbe (siehe Materialtabelle) an die Verbindungsstelle, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten, wie in Abbildung 1H gezeigt. Warten Sie, bis die silberne leitfähige Farbe bei Raumtemperatur getrocknet ist.
- Lassen Sie die in Schritt 1.2.2.1 hergestellte flüssige PDMS-Lösung auf den Anschluss fallen, um die getrocknete silberleitfähige Farbe vollständig zu versiegeln. Das PDMS auf einer heißen Platte bei 90 °C für 15 min aushärten.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1-1.3.2, um den Draht sowohl für die obere als auch für die untere Elektrodenschicht anzuschließen.
- Eine dünne Schicht flüssiger PDMS, die in Schritt 1.2.2.1 hergestellt wurde, gleichmäßig auf die Elektrodenfolie als Haftschicht für die Verbindung zwischen der Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht auftragen.
- Legen Sie die in Schritt 1.1.2 hergestellte poröse dielektrische PDMS-Schicht auf die Elektrodenschicht.
- Härten Sie den PDMS-Kleber auf einer heißen Platte bei 95 °C für 10 min aus. Stellen Sie eine Petrischale aus Glas auf das poröse PDMS, um einen guten Kontakt zwischen den beiden Schichten während des Erhitzens zu gewährleisten.
- Wiederholen Sie Schritt 1.3.4 für die andere Elektrodenschicht. Die in Schritt 1.3.6 erhaltene gebundene Elektroden-Dielektrikum-Schicht wird umgedreht und auf die andere einzelne Elektrodenschicht gelegt (d. h. die poröse PDMS-Schicht in direktem Kontakt mit der Elektrodenschicht zu haben). Achten Sie darauf, dass die beiden Elektroden genau gegenüberliegend ausgerichtet sind.
- Wiederholen Sie Schritt 1.3.6, um die Verbindung zwischen der porösen PDMS-Schicht und der anderen Elektrodenschicht abzuschließen.
Anmerkungen: Eine Abbildung des endgültigen Sensors ist in Abbildung 1I dargestellt. Abbildungen des Aufbaus und der Materialien des Sensors sind in Abbildung 1J dargestellt.
2. Experimenteller Prozess der Charakterisierung der Sensorleistung
- Aufbau der Schrittdruckbelastung und Datenerfassungssystem
- Verwenden Sie einen 3D-gedruckten Eindringkörper mit einer Ladefläche von einem Kreis von 2,5 cm Durchmesser für die Druckbelastung (siehe Materialtabelle) des zu prüfenden Sensors.
- Fixieren Sie den Eindringkörper auf einem vertikalen linearen beweglichen Tisch, der von einem Schrittmotor (siehe Materialtabelle) über einen Standard-Zugdrucksensor gesteuert wird.
- Messen Sie die Kapazität des weich-kapazitiven Drucksensors mit einem LCR-Messgerät, während Sie die Standarddruckdaten mit einem Datenerfassungsgerät (DAQ) aufzeichnen. Schließen Sie sowohl das LCR-Messgerät als auch die Datenerfassung an einen Computer an, auf dem das Datenprotokollierungsprogramm LabVIEW ausgeführt wird (siehe Materialtabelle).
HINWEIS: Abbildungen des Versuchsaufbaus sind in Abbildung 2 dargestellt. Zwischen dem Eindringkörper und dem serienmäßigen Zugdrucksensor wird eine Feder angelegt, die die vertikale Verschiebung des Linearverschiebetisches in Belastungsdruck umwandelt.
- Testen der Erfassungsleistung
- Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt. Zeichnen Sie die Kapazitäts- und Standarddruckdaten auf, indem Sie die Belastungskraft in jedem aufeinanderfolgenden Belastungszyklus mit dem gleichen Intervall erhöhen, bis der Belastungsdruck 40 N (~80 kPa) erreicht.
- Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um den gleichen Abstand wie im letzten Schritt vertikal nach oben bewegt. Zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf, nachdem sich der Eindringkörper stabilisiert hat. Wiederholen Sie den Vorgang, indem Sie die Belastungskraft im gleichen Intervall verringern. in jedem aufeinanderfolgenden Ladezyklus sinkt der Ladedruck auf 0 N.
- Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt. Zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf. Wiederholen Sie die Be- und Entladetests für 2.500 Zyklen, während Sie die Kapazität des Prüflings (DUT) in Abhängigkeit vom Standarddruckwert aufzeichnen.
- Kontrollieren Sie den Eindringkörper, um schnell nach unten zu drücken und einige Sekunden lang ruhig zu bleiben, bevor er zur 0-N-Belastung zurückkehrt. Wiederholen Sie dies fünfmal und notieren Sie die Kapazität als Funktion der Zeit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Das Foto der porösen Plätzchenzucker/Erythrit-Matrize ist in Abbildung 3A dargestellt. Abbildung 3B zeigt die flexible Elektrodenschicht mit einem kratzbeschichteten ECPCs-Muster. Abbildung 3C zeigt den weich-kapazitiven Drucksensor mit einer porösen dielektrischen Schicht, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde. Es wurden vier poröse dielektrische PDMS-Schichten auf Basis von PDMS/Toluol-Lösungen mit unterschiedlichen Massenverhältnissen von 1:1, 3:1, 5:1 bzw. 8:1 hergestellt. Optische Mikroskopaufnahmen, die die Porenmorphologien der verschiedenen Strukturen zeigen, sind in Abbildung 3D dargestellt. Es zeigte sich, dass die Porenwanddicke mit zunehmendem Massenverhältnis der PDMS/Toluol-Lösung zunahm.
Um die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Porosität zu überprüfen, wurde eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt, um den in der porösen PDMS-Dielektrikumsschicht entwickelten Druck in Abhängigkeit von der Druckdehnung mit Hilfe einer fortschrittlichen numerischen Modellierungssoftware zu simulieren (siehe Materialtabelle). Es wurde ein 3D-Modell des porösen PDMS mit offenen Poren erstellt, mit einer Länge von 2 mm auf der z-Achse. Die Lage der Poren wurde festgelegt, während die Durchmesser geändert wurden, um unterschiedliche Porositäten zu erhalten. In der z-Achse wurde ein zunehmender Druck ausgeübt, während in der x-Achse und y-Achse periodische und symmetrische Randbedingungen angewendet wurden. Das Simulationsergebnis in Abbildung 4A zeigt, dass eine höhere Porosität zu einer größeren Druckdehnung mit verbesserter Linearität bei gleichem Druckdruck beigetragen hat. Abbildung 4B,C zeigt die kapazitive Druckantwortkurve der Sensoren mit porösen dielektrischen PDMS-Schichten mit unterschiedlichen PDMS/Toluol-Massenverhältnissen. Im Druckbelastungsbereich von 0-10 kPa zeigte der Sensor mit einem PDMS/Toluol-Massenverhältnis von 1:1 die höchste Empfindlichkeit von 3,47 % kPa−1 und war damit mehr als doppelt so hoch wie die des Sensors mit dem PDMS/Toluol-Massenverhältnis von 8:1 (1,48 % kPa−1). Mit zunehmendem Druck verkleinerten sich die Poren in der dielektrischen Schicht allmählich, was zu einer Abnahme der Empfindlichkeit führte, bis sie für alle Porositäten den gleichen Wert von 0,66 % bis 0,89 % kPa−1 erreichte, wie in Abbildung 4C dargestellt. Abbildung 4D zeigt die kapazitive Reaktion auf fünf aufeinanderfolgende Be- und Entladeversuche bei gleichem Lastdruck von ca. 10 kPa. Die Ansprechzeit des Ladens (d. h. die Zeit, die benötigt wird, damit die Sensorkapazität 90 % ihres stationären Wertes erreicht) wurde auf etwa 0,2 s festgelegt, wie in Abbildung 4E dargestellt. Darüber hinaus zeigten die zyklischen Tests, wie in Abbildung 4F gezeigt, auch, dass der hergestellte weich-kapazitive Sensor nach 2.500 Zyklen eine hervorragende Wiederholbarkeit aufwies.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses. (A-C) Der Herstellungsfluss der porösen dielektrischen PDMS-Schicht. (D,E) Die Vorbereitung der ECPCs-Tinte. (F,G) Der Scrape-Coating-Prozess der Elektrodenschicht. (H,I) Der Drahtverbindungs- und Bondingprozess des weich-kapazitiven Drucksensors mit der elektrodenporösen dielektrischen Schicht-Elektroden-Sandwichstruktur. (J) Abbildungen des Aufbaus und der Materialien des Sensors. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Versuchsaufbau. (A) Aufbau der Schrittdruckbelastung. (B) Datenerfassungssystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Sensorstrukturen . (A) Foto des Zucker/Erythrit-Templates. (B) Die flexible Elektrodenschicht mit dem kratzbeschichteten ECPCs-Muster. (C) Foto des weich-kapazitiven Drucksensors mit der porösen dielektrischen Schicht. (D) Optische mikroskopische Aufnahmen der porösen dielektrischen PDMS-Schichten, die mit unterschiedlichen PDMS/Toluol-Massenverhältnissen hergestellt wurden (PDMS-Basis:Toluol = 1:1, 3:1, 5:1 und 8:1). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Simulations- und Charakterisierungsergebnis. (A) Simulierte Spannungs-Dehnungs-Kurve der porösen PDMS-Schichten mit unterschiedlichen Porositäten unter Niederdruckbelastungen. (B,C) Druckverhaltenskurve der kapazitiven Drucksensoren, die mit PDMS/Toluol-Lösungen mit unterschiedlichen Massenverhältnissen hergestellt wurden (PDMS-Basis:Toluol = 1:1, 3:1, 5:1 und 8:1). (D,E) Dynamisches Ansprechverhalten des Sensors (PDMS base:toluol = 1:1). (F) Das Ergebnis der Stabilitätsprüfung des porösen kapazitiven Drucksensors (2.500 Belastungszyklen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dieser Arbeit wird eine einfache Methode vorgeschlagen, die auf der Verdampfung von Lösungsmitteln basiert, um die Porosität zu kontrollieren, und eine Reihe von experimentellen Ergebnissen hat ihre Machbarkeit bewiesen. Obwohl die poröse Struktur im flexiblen kapazitiven Drucksensor weit verbreitet ist, muss die Porositätskontrolle noch weiter optimiert werden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden zur Änderung der Partikelgröße des PFA 11,12,13,18,19 und des Verhältnisses von Polymersubstrat zu PFA 17,20 ändern wir die Konzentration der Polymersubstratlösung unter Beibehaltung der Größe des PFA (d.h. Zuckers) gleichmäßig. Dadurch ändert sich die Dicke der Porenwand, während die Porenverteilung erhalten bleibt, was bedeutet, dass die Porosität durch die Lösungskonzentration gesteuert werden kann.
Der kritischste Schritt für die Porositätskontrolle ist die Herstellung der PDMS/Toluol-Lösung. Die Massenverhältnisse der PDMS/Toluol-Lösung wurden als 1:1, 3:1, 5:1 bzw. 8:1 gewählt, um dielektrische Schichten mit unterschiedlichen Porositäten herzustellen. Es konnte experimentell bestätigt werden, dass die Abnahme des Massenverhältnisses zu einer höheren Porosität und einer erhöhten Empfindlichkeit im Niederdruckbereich führt.
Das Erhitzen des Zucker-Erythrit-Gemisches zur Herstellung der porösen Schablone ist ebenfalls ein wichtiger, innovativer Schritt. Anders als bei bestehenden Verfahren zum Erhitzen von reinem Zucker 21,22, zur Zugabevon Wasser 23 und zum Anwenden von Druck 24 wurde die Schmelzpunktdifferenz dieser beiden PFA-Komponenten zur Herstellung der porösen Schablone genutzt. Bei diesem Protokoll ist die Heiztemperatur höher als der Schmelzpunkt von Erythrit und niedriger als der Schmelzpunkt von Zucker. So schmilzt das Erythritpulver während des Erhitzungsprozesses allmählich und bindet die festen Zuckerpartikel zu einem Flachzuckerstückchen. Auch das Massenverhältnis von Zucker zu Erythrit erwies sich als entscheidend für den Erfolg dieses Schritts. Ein höherer Anteil des Erythrits füllt die Lücke zwischen den Zuckerpartikeln, während ein geringerer Anteil zu einem Versagen der Bindung führt.
Es gibt jedoch einige Einschränkungen in der Vorrichtung, die mit diesem Verfahren hergestellt wird. Mit zunehmendem Belastungsdruck schließen sich die Poren in der dielektrischen Schicht allmählich und die Porenwände kommen miteinander in Kontakt, was zu einer festeren PDMS-ähnlichen mechanischen Eigenschaft führt. Dieses Phänomen erklärt die Unabhängigkeit der Empfindlichkeit von der Porosität, die im höheren Druckbereich oberhalb von 40 kPa für unseren Sensor gefunden wurde. Erwähnenswert ist auch, dass der Sensor mit einem PDMS-Basis-Toluol-Massenverhältnis von 8:1 im Vergleich zu anderen Sensoren unter 5 kPa eine signifikant höhere Empfindlichkeit von 3,78 % kPa−1 aufwies, was auf eine Kopplung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften zurückzuführen ist, die durch die poröse Struktur induziert wird.
Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Forschungsarbeiten ermöglichen eine kostengünstige und einfach zu bedienende Herstellungsmethode von porösen kapazitiven Drucksensoren mit einstellbaren Sensorparametern, die breite Anwendungsperspektiven in der Softrobotik, haptischen Schnittstellen usw. hat. In Zukunft können voll integrierte bionische Softrobotergreifer mit weichen sensorischen Mechanorezeptoren von einstellbaren Sensorparametern auf Basis dieser Methode weiter erforscht werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62273304 unterstützt.
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).
