Summary
En enkel og kostnadseffektiv fabrikasjonsmetode basert på løsningsmiddelfordampningsteknikken presenteres for å optimalisere ytelsen til en myk kapasitiv trykksensor, som er aktivert ved porøsitetskontroll i det dielektriske laget ved bruk av forskjellige masseforhold mellom støping av PDMS / toluenløsning.
Abstract
Myke trykksensorer spiller en viktig rolle i utviklingen av "menneske-maskin" taktil følelse i myk robotikk og haptiske grensesnitt. Spesielt har kapasitive sensorer med mikrostrukturerte polymermatriser blitt utforsket med betydelig innsats på grunn av deres høye følsomhet, brede linearitetsområde og raske responstid. Imidlertid er forbedringen av sensorytelsen ofte avhengig av den strukturelle utformingen av det dielektriske laget, noe som krever sofistikerte mikrofabrikasjonsanlegg. Denne artikkelen rapporterer en enkel og rimelig metode for å fremstille porøse kapasitive trykksensorer med forbedret følsomhet ved hjelp av løsningsmiddelfordampningsbasert metode for å justere porøsiteten. Sensoren består av et dielektrisk lag av porøs polydimetylsiloksan (PDMS) bundet med topp- og bunnelektroder laget av elastiske ledende polymerkompositter (ECPC). Elektrodene ble fremstilt av skrapebeleggende karbonnanorør (CNT) -dopede PDMS-ledende oppslemming til muggmønstrede PDMS-filmer. For å optimalisere porøsiteten til det dielektriske laget for forbedret sensorytelse, ble PDMS-løsningen fortynnet med toluen av forskjellige massefraksjoner i stedet for å filtrere eller male sukkerporedannende middel (PFA) i forskjellige størrelser. Fordampningen av toluenløsningsmidlet tillot rask fremstilling av et porøst dielektrisk lag med kontrollerbare porøsiteter. Det ble bekreftet at sensitiviteten kunne forbedres mer to ganger når forholdet mellom toluen og PDMS ble økt fra 1:8 til 1:1. Forskningen foreslått i dette arbeidet muliggjør en billig metode for å fremstille fullt integrerte bioniske myke robotgripere med myke sensoriske mekanoreceptorer av justerbare sensorparametere.
Introduction
De siste årene har fleksible trykksensorer trukket oppmerksomhet på grunn av deres uunnværlige anvendelse i myk robotikk 1,2,3, "menneske-maskin" haptiske grensesnitt4,5 og helseovervåking 6,7,8. Generelt inkluderer mekanismene for trykkføling piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapasitiv 2,3,9,10,11,12,13 og triboelektrisk 8 Sensorer. Blant dem skiller kapasitive trykksensorer seg ut som en av de mest lovende metodene innen taktil sensing på grunn av deres høye følsomhet, lave deteksjonsgrense (LOD), etc.
For bedre sensorytelse har forskjellige mikrostrukturer som mikropyramider 2,9,14, mikrostolper 15 og mikroporer9,10,11,12,13,16,17 blitt introdusert til fleksible kapasitive trykksensorer, og fabrikasjonsmetodene er også optimalisert for å forbedre sensoren ytterligere forestillinger av slike strukturer. Imidlertid krever de fleste av disse strukturene sofistikerte mikrofabrikasjonsanlegg, noe som øker produksjonskostnadene og driftsvanskene betydelig. For eksempel, som den mest brukte mikrostrukturen i myke trykksensorer, er mikropyramider avhengige av litografisk definerte og våtetsede Si-wafere som støpemal, noe som krever presisjonsutstyr og et strengt renromsmiljø 9,14. Derfor har mikroporestrukturer (porøse strukturer) som kan lages ved enkle fabrikasjonsprosesser og med rimelige råvarer samtidig som høye sensoregenskaper opprettholdes, fått økende oppmerksomhet nylig 9,10,11,12,13,16,17 . Dette vil bli diskutert, sammen med ulempene ved å endre PFA og mengden, som motivasjon for å bruke vår fraksjonskontrollmetode.
Her foreslår dette arbeidet en enkel og rimelig metode basert på løsningsmiddel-fordampningsteknikken for å fremstille en porøs fleksibel kapasitiv trykksensor med kontrollerbar porøsitet. Den komplette produksjonsprosessen inkluderer fremstilling av det porøse PDMS dielektriske laget, skrapebelegget av elektrodene og binding av tre funksjonelle lag. Spesielt bruker dette arbeidet innovativt en PDMS / toluen blandet løsning med et visst masseforhold for å fremstille det porøse PDMS dielektriske laget basert på sukker / erytritolblandingsmalen. I mellomtiden sikrer en jevn PFA-partikkelstørrelse ensartet poremorfologi og fordeling; Dermed kan porøsiteten kontrolleres ved å endre PDMS / toluenmasseforholdet. De eksperimentelle resultatene viser at følsomheten til den foreslåtte trykksensoren kan forbedres mer enn to ganger ved å øke PDMS / toluenmasseforholdet fra 1: 8 til 1: 1. Variasjonen i mikroporeveggtykkelsen på grunn av forskjellige PDMS / toluenmasseforhold bekreftes også av optiske mikroskopbilder. Den optimaliserte myke kapasitive trykksensoren viser en høy sensorytelse med en følsomhet og responstid på henholdsvis 3,47% kPa-1 og 0,2 s. Denne metoden oppnår rask, billig og enkel betjening av et porøst dielektrisk lag med kontrollerbar porøsitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fabrikasjon av den myke kapasitive trykksensoren med et porøst PDMS dielektrisk lag
- Produksjon av det porøse PDMS dielektriske laget
- Forbered den porøse malen for sukker/erytritol ved å følge trinnene nedenfor.
- Filtrer sukkeret med prøvesikter med blenderåpninger på 270 μm og 500 μm. Velg sukker med en partikkeldiameter i området 270-500 μm.
MERK: En større eller mindre sukkerpartikkelstørrelse er også akseptabel så lenge ensartetheten er innenfor toleransegrensene. Diameteren på sukkerpartikkelen vil påvirke porestørrelsen til det porøse PDMS-laget produsert i et senere trinn, men vil ikke bestemme porestørrelsen fullstendig. - Mal erytritol (se materialfortegnelse) til pulver for å sikre en mer jevn blanding med sukkeret.
- Vei en viss mengde filtrert sukker og erytritolpulver med et masseforhold på 20:1. Rist for å blande dem jevnt.
- Fyll sukker/erytritolblandingen i en kommersielt oppnådd sukker-/erytritolmetallform (se materialfortegnelse). Trykk på overflaten for å gjøre fyllstoffet kompakt.
MERK: For å sikre enkel demolding i neste trinn, kan et lag med Al folie plasseres i formen før sukker / erytritol. - Varm formen med sukker/erytritolblandingen i varmluftsovn ved 135 °C i 2 timer, som vist i figur 1A. Etter avkjøling ved romtemperatur, ta ut klumpplaten sukker (dvs. den porøse malen).
- Filtrer sukkeret med prøvesikter med blenderåpninger på 270 μm og 500 μm. Velg sukker med en partikkeldiameter i området 270-500 μm.
- Fremstill det porøsitetskontrollerbare PDMS-dielektriske laget.
- Vei 5 g toluen, 5 g PDMS-base og 0,5 g PDMS-herdemiddel (se materialtabell) i et sentrifugerør (dvs. masseforholdet mellom PDMS-base / toluen / herdemiddel er 10: 10: 1). Rør løsningen jevnt.
MERK: Masseforholdet mellom PDMS-baseløsning og herdemiddel er fastsatt til 10: 1, mens masseforholdet mellom PDMS og toluen brukes til å kontrollere porøsiteten til PDMS dielektriske lag. Porøsiteten reduseres når man øker PDMS-fraksjonen. Minste porøsitet oppnås når ingen toluen tilsettes. - Sentrifuger oppløsningen ved 875 x g i 30 sekunder ved romtemperatur for å fjerne luftbobler.
MERK: Hvis løsningsvolumet er stort, kan løsningen fremstilles i et begerglass. Sentrifugalbehandlingen erstattes av vakuumavgassing i 15 minutter. - Legg den porøse malen for firkantet sukker/erytritol oppnådd i trinn 1.1.1 i en petriskål. Sett inn dobbeltsidig tape som avstandsstykker under de fire hjørnene for å løfte malen fra petriskåloverflaten.
MERK: Malen kan også plasseres på en Si-wafer, men denne metoden vil føre til et tykkere lag med PDMS på grensesnittet mellom malen og Si-waferen, noe som kan påvirke sensorytelsen. - Hell PDMS/toluen-løsningen på malen, og hell petriskålen litt slik at løsningen helt kan fylle alle hullene blant sukkerpartiklene, som vist i figur 1B.
- Legg petriskålen med PDMS/toluenløsningsfylt porøs mal i vakuumtørker og degas i 20 min.
- Overfør petriskålen fra vakuumtørkeren til ovnen ved 90 °C i 45 minutter for å fordampe toluenet og herde flytende PDMS.
- Senk de herdede PDM-ene som er innebygd i den porøse malen i avionisert vann (DI-vann), som vist i figur 1C. Varm opp kokeplaten ved 140 °C til sukkermalen er helt oppløst. Rengjør de porøse PDMS-ene med DI-vann.
- Vei 5 g toluen, 5 g PDMS-base og 0,5 g PDMS-herdemiddel (se materialtabell) i et sentrifugerør (dvs. masseforholdet mellom PDMS-base / toluen / herdemiddel er 10: 10: 1). Rør løsningen jevnt.
- Forbered den porøse malen for sukker/erytritol ved å følge trinnene nedenfor.
- Fabrikasjon av de fleksible elektrodelagene basert på ECPCer
- Syntetiser ECPC-blekket.
- Vei 0,16 g CNT (diameter: 10-20 nm, lengde: 10-30 μm, se materialtabell) og 4 g toluen i et begerglass, og rør magnetisk ved 250 o / min i 1,5 time. I mellomtiden veier du 2 g PDMS-base og 2 g toluen i et begerglass, og rør magnetisk ved 200 o / min i 1 time. Dekk begeret med tetningsfilm under omrøring for å forhindre fordampning av løsemiddel.
- Bland CNTs/toluen-suspensjonen med PDMS-basen/toluenoppløsningen, og dekk begeret med en tetningsfilm. Rør magnetisk ved 250 o / min i 2 timer.
- Tilsett 0,2 g PDMS-herdemiddel i den blandede løsningen. Rør magnetisk ved 75 °C og 250 o / min i 1 time. Avdekk begeret for løsemiddelfordampning og suspensjonskonsentrasjon under omrøring, som vist i figur 1D, E.
MERK: Varigheten av omrøring og oppvarming er justerbar. Viskositeten til blandingen øker med omrøringstid, noe som letter følgende skrapebeleggoperasjon. Varigheten bør imidlertid ikke være for lang for å forhindre at PDMS-løsningen herdes. Når blandingen er konsentrert til en viskositet som er praktisk for skrapebelegg, er ECPCs blekksynteseprosess ferdig.
- Skrapbelegg elektrodene ved å følge trinnene nedenfor.
- Vei toluen, PDMS-base og PDMS-herdemiddel i et sentrifugerør med et masseforhold på 2:10:1. Rør løsningen jevnt.
- Sentrifuger oppløsningen ved 875 x g i 30 sekunder ved romtemperatur for å fjerne luftbobler.
- Hell 1,3 g PDMS / toluenoppløsning i en kommersielt oppnådd elektrodemetallform (se materialtabell) med et preget elektrodemønster, som vist i figur 1F.
NOTAT: Det pregede mønsteret i bunnen av formen er 0,2 mm tykt. - Plasser formen i en vakuumtørker og degas i 10 min.
- Herd PDMS i formen på en kokeplate ved 90 °C i 15 minutter. Fjern den mønstrede PDMS-filmen etter avkjøling ved romtemperatur.
- Fest den flate siden av PDMS-filmen på en Si-wafer (dvs. eksponer siden med elektrodemønsteret). Forsikre deg om at det ikke er luftbobler mellom PDMS-filmen og Si-skiven.
- Skrapbelegg ECPC-blekket som ble utarbeidet i trinn 1.2.1 inn i elektrodemønsteret, som figur 1G viser. Rengjør overflødig blekk med en støvfri våtserviett dyppet av isopropylalkohol (IPA).
- Herd ECPC-blekket på en kokeplate ved 90 °C i 15 minutter.
- Gjenta trinn 1.2.2.3-1.2.2.8 for å produsere både øvre og nedre elektrodelag.
- Syntetiser ECPC-blekket.
- Liming og pakking av myke kapasitive sensorer
- Fest metalltråden (se materialfortegnelse) til elektroden. Dropp sølvledende maling (se materialfortegnelse) på tilkoblingsstedet for å sikre god ledningsevne, som vist i figur 1H. Vent til den sølvledende malingen tørker ved romtemperatur.
- Slipp den flytende PDMS-løsningen som ble tilberedt i trinn 1.2.2.1 på tilkoblingen for å forsegle den tørkede sølvledende malingen helt. Hersk PDMS på en kokeplate ved 90 °C i 15 minutter.
- Gjenta trinn 1.3.1-1.3.2 for å koble ledningen til både øvre og nedre elektrodelag.
- Påfør et tynt lag flytende PDMS fremstilt i trinn 1.2.2.1 jevnt på elektrodefilmen som et vedheftslag for binding mellom elektrodelaget og det dielektriske laget.
- Plasser det porøse PDMS dielektriske laget produsert i trinn 1.1.2 på elektrodelaget.
- Herd PDMS-limet på en kokeplate ved 95 °C i 10 minutter. Legg en petriskål i glass på den porøse PDMS-en for å sikre god kontakt mellom de to lagene under oppvarming.
- Gjenta trinn 1.3.4 for det andre elektrodelaget. Reverser det bundne elektrode-dielektriske laget oppnådd i trinn 1.3.6, og plasser det på det andre enkeltelektrodelaget (dvs. å ha det porøse PDMS-laget i direkte kontakt med elektrodelaget). Forsikre deg om at de to elektrodene er strengt justert motsatt hverandre.
- Gjenta trinn 1.3.6 for å fullføre bindingen mellom det porøse PDMS-laget og det andre elektrodelaget.
MERK: En illustrasjon av den endelige sensoren er vist i figur 1I. Illustrasjoner av sensorens struktur og materialer er vist i figur 1J.
2. Eksperimentell prosess for karakterisering av sensorytelse
- Stepping trykklastingsoppsett og datainnsamlingssystem
- Bruk en 3D-printet indenter med et lasteområde som er en sirkel på 2,5 cm i diameter for trykkbelastningen (se materialfortegnelse) til sensoren som testes.
- Fest innrykket på et vertikalt lineært bevegelig trinn styrt av en trinnmotor (se materialfortegnelse) gjennom en standard trekktrykksensor.
- Mål kapasitansen til den myke kapasitive trykksensoren med en LCR-måler mens du registrerer standard trykkdata ved hjelp av en datainnsamlingsenhet (DAQ). Koble både LCR-måleren og DAQ til en datamaskin som kjører LabVIEW-dataloggingsprogrammet (se Materialfortegnelse).
MERK: Illustrasjoner av eksperimentoppsettet er vist i figur 2. En fjær påføres mellom innrykket og standard trekktrykksensor, som konverterer den vertikale forskyvningen av det lineære bevegelige trinnet til lasttrykk.
- Testing av sensorytelsen
- Kontroller trinnmotoren for å drive innrykket til å bevege seg ned vertikalt med en programmert avstand. Registrer kapasitansen og standard trykkdata ved å øke lastekraften med samme intervall i hver påfølgende lastesyklus til lastetrykket når 40 N (~ 80 kPa).
- Kontroller trinnmotoren for å drive innrykket til å bevege seg opp vertikalt med samme avstand som i det siste trinnet. Registrer kapasitansen og standard trykkdata etter at innrykket har stabilisert seg. Gjenta operasjonen ved å redusere lastekraften med samme intervall; i hver påfølgende lastesyklus faller lastetrykket til 0 N.
- Kontroller trinnmotoren for å drive innrykket til å bevege seg ned vertikalt med en programmert avstand. Registrer kapasitansen og standard trykkdata. Gjenta laste- og lossetestene i 2,500 sykluser mens du registrerer kapasitansen til enheten under test (DUT) som en funksjon av standard trykkavlesning.
- Kontroller innrykket for å trykke raskt ned og forbli stødig i noen sekunder før du går tilbake til 0 N lasting. Gjenta dette fem ganger, og registrer kapasitansen som en funksjon av tid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fotografiet av den porøse malen for klumpet sukker/erytritol er vist i figur 3A. Figur 3B viser det fleksible elektrodelaget med et skrapebelagt ECPC-mønster. Figur 3C viser den myke kapasitive trykksensoren med et porøst dielektrisk lag fremstilt med den foreslåtte metoden. Fire porøse PDMS dielektriske lag ble fremstilt basert på PDMS / toluenløsninger med forskjellige masseforhold på henholdsvis 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1. Optiske mikroskopbilder som viser poremorfologiene til de forskjellige strukturene er presentert i figur 3D. Det ble funnet at poreveggtykkelsen økte med et økende masseforhold mellom PDMS / toluenoppløsningen.
For å verifisere avhengigheten av de mekaniske egenskapene på porøsiteten, ble det utført en endelig elementanalyse (FEA) for å simulere trykket utviklet i det porøse PDMS dielektriske laget som en funksjon av trykkstammen ved hjelp av avansert numerisk modelleringsprogramvare (se materialfortegnelse). En 3D-modell av de porøse PDM-ene med åpne porer ble opprettet, med en lengde på 2 mm på z-aksen. Plasseringen av porene ble fast, mens diametrene ble endret for å oppnå forskjellige porøsiteter. Et økende trykk ble påført i z-aksen, mens periodiske og symmetriske grensebetingelser ble anvendt i x-aksen og y-aksen. Simuleringsresultatet i figur 4A viser at høyere porøsitet bidro til en større trykkbelastning med forbedret linearitet under samme påførte kompresjonstrykk. Figur 4B,C viser kapasitans-trykkresponskurven til sensorene med porøse PDMS dielektriske lag med forskjellige PDMS / toluenmasseforhold. I trykkbelastningsområdet 0-10 kPa viste sensoren med et masseforhold på 1: 1 PDMS / toluen den høyeste følsomheten på 3,47% kPa-1, som var mer enn to ganger høyere enn sensoren med 8: 1 PDMS / toluenmasseforholdet (1,48% kPa-1). Etter hvert som trykket økte, ble porene i det dielektriske laget gradvis redusert i størrelse, noe som førte til en reduksjon i følsomheten til den nådde samme nivå på 0, 66% -0, 89% kPa-1 for alle porøsiteter, som vist i figur 4C. Figur 4D viser den kapasitive responsen på fem påfølgende laste-lossetester under samme lastetrykk på ca. 10 kPa. Responstiden for lasting (dvs. tiden det tar for sensorkapasitansen å nå 90% av sin steady-state-verdi) ble bestemt til å være ca. 0,2 s, som vist i figur 4E. I tillegg, som vist i figur 4F, viste de sykliske testene også at den as-fabrikkerte myke kapasitive sensoren hadde utmerket repeterbarhet etter 2,500 sykluser.
Figur 1: Skjematisk fremstilling av fabrikasjonsprosessen. (A-C) Fabrikasjonsstrømmen av det porøse PDMS dielektriske laget. (D,E) Fremstillingen av ECPCs blekk. (F,G) Skrapebeleggsprosessen til elektrodelaget. (H,I) Ledningsforbindelsen og bindingsprosessen til den myke kapasitive trykksensoren med den elektrodeporøse dielektriske lagelektrodesandwichstrukturen. (J) Illustrasjoner av sensorens struktur og materialer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Eksperimentelt oppsett . (A) Trinntrykkbelastningsoppsett. (B) System for datainnsamling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Sensorstrukturer . (A) Fotografi av sukker-/erytritolmalen. (B) Det fleksible elektrodelaget med skrapebelagt ECPC-mønster. (C) Fotografi av den myke kapasitive trykksensoren med det porøse dielektriske laget. (D) Optiske mikroskopbilder av de porøse PDMS dielektriske lagene fremstilt med forskjellige PDMS / toluenmasseforhold (PDMS base: toluen = 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Simulerings- og karakteriseringsresultat. (A) Simulert spenning-tøyningskurve for de porøse PDMS-lagene med forskjellige porøsiteter under lavtrykksbelastninger. (B,C) Trykk-responskurve for kapasitive trykksensorer produsert med PDMS / toluenløsninger med forskjellige masseforhold (PDMS base: toluen = 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1). (D,E) Sensorens dynamiske respons (PDMS base:toluen = 1:1). (F) Stabilitetstestresultatet til den porøse kapasitive trykksensoren (2 500 lastesykluser). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette arbeidet foreslår en enkel metode basert på løsningsmiddelfordampning for å kontrollere porøsiteten, og en rekke eksperimentelle resultater har vist at det er mulig. Selv om den porøse strukturen har blitt mye brukt i den fleksible kapasitive trykksensoren, trenger porøsitetskontrollen fortsatt ytterligere optimalisering. I motsetning til eksisterende metoder for å endre partikkelstørrelsen til PFA 11,12,13,18,19 og forholdet mellom polymersubstrat og PFA 17,20, endrer vi konsentrasjonen av polymersubstratløsningen samtidig som størrelsen på PFA (dvs. sukker) holdes jevn. Som et resultat endres tykkelsen på poreveggen mens porefordelingen holder, noe som betyr at porøsiteten kan styres av løsningskonsentrasjonen.
Det mest kritiske trinnet for porøsitetskontrollen er å forberede PDMS / toluen-løsningen. Masseforholdene til PDMS / toluenoppløsningen ble valgt som henholdsvis 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1 for å fremstille dielektriske lag med forskjellige porøsiteter. Det ble eksperimentelt bekreftet at reduksjonen i masseforholdet førte til høyere porøsitet og økt følsomhet i lavtrykksområdet.
Oppvarming av sukker / erytritolblandingen for å fremstille den porøse malen er også et kritisk, innovativt skritt. Forskjellig fra eksisterende metoder for oppvarming av rent sukker 21,22, tilsetning av vann23 og påføring av trykk 24, ble smeltepunktforskjellen mellom disse to PFA-komponentene benyttet til å fremstille den porøse malen. I denne protokollen er oppvarmingstemperaturen høyere enn smeltepunktet for erytritol og lavere enn smeltepunktet for sukker. Dermed smelter erytritolpulveret gradvis under oppvarmingsprosessen og binder de faste sukkerpartiklene til en platesukkerklump. Masseforholdet mellom sukker og erytritol ble også funnet å være avgjørende for suksessen til dette trinnet. En høyere andel av erytritol vil fylle gapet mellom sukkerpartiklene, mens en lavere fraksjon vil føre til en svikt i bindingen.
Det finnes imidlertid noen begrensninger i enheten som er produsert av denne metoden. Når lastetrykket øker, lukkes porene i det dielektriske laget gradvis, og poreveggene kommer i kontakt med hverandre, noe som resulterer i en mer solid PDMS-lignende mekanisk egenskap. Dette fenomenet forklarer uavhengigheten av følsomhet fra porøsitet, som ble funnet i det høyere trykkområdet over 40 kPa for sensoren vår. Det er også verdt å merke seg at sensoren laget med et 8: 1 PDMS base / toluen masseforhold viste en signifikant høyere følsomhet på 3,78% kPa-1 sammenlignet med andre sensorer under 5 kPa, noe som kan tilskrives en kobling av de mekaniske og elektriske egenskapene indusert av den porøse strukturen.
Forskningen foreslått i dette arbeidet muliggjør en billig og enkel operasjonsfabrikasjonsmetode for porøse kapasitive trykksensorer med justerbare sensorparametere, som har brede applikasjonsutsikter innen myk robotikk, haptiske grensesnitt, etc. I fremtiden kan fullt integrerte bioniske myke robotgripere med myke sensoriske mekanoreseptorer av justerbare sensorparametere undersøkes videre basert på denne metoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China under Grant 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).
