Summary
Een eenvoudige en kostenefficiënte fabricagemethode op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek wordt gepresenteerd om de prestaties van een zachte capacitieve druksensor te optimaliseren, die mogelijk wordt gemaakt door porositeitsregeling in de diëlektrische laag met behulp van verschillende massaverhoudingen van de giet-PDMS / tolueenoplossing.
Abstract
Zachte druksensoren spelen een belangrijke rol bij het ontwikkelen van "mens-machine" tactiele sensatie in zachte robotica en haptische interfaces. Met name capacitieve sensoren met microgestructureerde polymeermatrices zijn met aanzienlijke inspanning onderzocht vanwege hun hoge gevoeligheid, brede lineariteitsbereik en snelle responstijd. De verbetering van de detectieprestaties is echter vaak afhankelijk van het structurele ontwerp van de diëlektrische laag, waarvoor geavanceerde microfabricagefaciliteiten nodig zijn. Dit artikel beschrijft een eenvoudige en goedkope methode om poreuze capacitieve druksensoren met verbeterde gevoeligheid te fabriceren met behulp van de op oplosmiddelverdamping gebaseerde methode om de porositeit af te stemmen. De sensor bestaat uit een poreus polydimethylsiloxaan (PDMS) diëlektrische laag gebonden met boven- en onderelektroden gemaakt van elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC's). De elektroden werden voorbereid door koolstofnanobuisjes (CNT's) te schrapen en PDMS-geleidende slurry te gedopeerd in PDMS-films met schimmelpatroon. Om de porositeit van de diëlektrische laag te optimaliseren voor verbeterde detectieprestaties, werd de PDMS-oplossing verdund met tolueen van verschillende massafracties in plaats van het suikerporiënvormende middel (PFA) in verschillende maten te filteren of te malen. De verdamping van het tolueenoplosmiddel maakte de snelle fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeiten mogelijk. Er werd bevestigd dat de gevoeligheid tweevoudig kon worden verbeterd wanneer de tolueen-PDMS-verhouding werd verhoogd van 1:8 naar 1:1. Het onderzoek dat in dit werk wordt voorgesteld, maakt een goedkope methode mogelijk voor het fabriceren van volledig geïntegreerde bionische zachte robotgrijpers met zachte sensorische mechanoreceptoren van afstembare sensorparameters.
Introduction
In de afgelopen jaren hebben flexibele druksensoren de aandacht getrokken vanwege hun onmisbare toepassing in zachte robotica 1,2,3, "mens-machine" haptische interfaces4,5 en gezondheidsmonitoring 6,7,8. Over het algemeen omvatten de mechanismen voor drukdetectie piëzoresistief 1,4,7, piëzo-elektrisch 2,6, capacitief 2,3,9,10,11,12,13 en tribo-elektrisch 8 Sensoren. Onder hen vallen capacitieve druksensoren op als een van de meest veelbelovende methoden in tactiele detectie vanwege hun hoge gevoeligheid, lage detectiegrens (LOD), enz.
Voor betere detectieprestaties zijn verschillende microstructuren zoals micropiramides 2,9,14, micropijlers 15 en microporiën9,10,11,12,13,16,17 geïntroduceerd in flexibele capacitieve druksensoren, en de fabricagemethoden zijn ook geoptimaliseerd om de detectie verder te verbeteren uitvoeringen van dergelijke structuren. De meeste van deze structuren vereisen echter geavanceerde microfabricagefaciliteiten, wat de productiekosten en operationele problemen aanzienlijk verhoogt. Als de meest gebruikte microstructuur in zachte druksensoren vertrouwen micropiramides bijvoorbeeld op lithografisch gedefinieerde en nat geëtste Si-wafers als de vormsjabloon, die precisieapparatuur en een strikte cleanroomomgeving vereist 9,14. Daarom hebben microporiënstructuren (poreuze structuren) die kunnen worden gemaakt door eenvoudige fabricageprocessen en met goedkope grondstoffen met behoud van hoge detectieprestaties, onlangs steeds meer aandacht getrokken 9,10,11,12,13,16,17 . Dit zal worden besproken, naast de nadelen van het veranderen van de PFA en de hoeveelheid ervan, als de motivatie voor het gebruik van onze fractiecontrolemethode.
Hierin stelt dit werk een eenvoudige en goedkope methode voor op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek om een poreuze flexibele capacitieve druksensor met controleerbare porositeit te fabriceren. Het volledige productieproces omvat de fabricage van de poreuze PDMS-diëlektrische laag, de schraaplaag van de elektroden en de verlijming van drie functionele lagen. In het bijzonder maakt dit werk op innovatieve wijze gebruik van een PDMS / tolueen gemengde oplossing met een bepaalde massaverhouding om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te fabriceren op basis van het suiker / erythritol-mengselsjabloon. Ondertussen zorgt een uniforme PFA-deeltjesgrootte voor een uniforme poriemorfologie en -verdeling; de porositeit kan dus worden geregeld door de PDMS/tolueenmassaverhouding te wijzigen. De experimentele resultaten tonen aan dat de gevoeligheid van de voorgestelde druksensor meer dan tweevoudig kan worden verbeterd door de PDMS / tolueen-massaverhouding te verhogen van 1: 8 naar 1: 1. De variatie in de wanddikte van de microporiën als gevolg van verschillende PDMS/tolueen massaverhoudingen wordt ook bevestigd door optische microscoopbeelden. De geoptimaliseerde zachte capacitieve druksensor toont hoge detectieprestaties met een gevoeligheid en responstijd van respectievelijk 3,47% kPa−1 en 0,2 s. Deze methode bereikt de snelle, goedkope en eenvoudig te bedienen fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fabricage van de zachte capacitieve druksensor met een poreuze PDMS diëlektrische laag
- Productie van de poreuze PDMS diëlektrische laag
- Bereid de suiker / erythritol poreuze sjabloon volgens de onderstaande stappen.
- Filtreer de suiker met monsterzeven met openingen van 270 μm en 500 μm. Kies suiker met een deeltjesdiameter in het bereik van 270-500 μm.
OPMERKING: Een grotere of kleinere suikerdeeltjesgrootte is ook acceptabel zolang de uniformiteit binnen de tolerantiegrenzen ligt. De diameter van het suikerdeeltje zal de poriegrootte van de poreuze PDMS-laag die in een latere stap is vervaardigd, beïnvloeden, maar zal de poriegrootte niet volledig bepalen. - Maal erythritol (zie tabel met materialen) tot poeder om een meer uniforme menging met de suiker te garanderen.
- Weeg een bepaalde hoeveelheid gefilterde suiker en erythritolpoeder met een massaverhouding van 20:1. Schud om ze gelijkmatig te mengen.
- Vul het suiker/erythritol mengsel in een commercieel verkregen suiker/erythritol metalen mal (zie tabel met materialen). Druk op het oppervlak om het vulmiddel compact te maken.
OPMERKING: Om ervoor te zorgen dat het ontvormen in de volgende stap gemakkelijk kan worden verwijderd, kan een laag Al-folie in de vorm worden geplaatst vóór de suiker / erythritol. - Verwarm de vorm met het suiker/erythritolmengsel in een heteluchtoven gedurende 2 uur op 135 °C, zoals weergegeven in figuur 1A. Na afkoeling bij kamertemperatuur haalt u de klonterplaatsuiker (d.w.z. de poreuze sjabloon) eruit.
- Filtreer de suiker met monsterzeven met openingen van 270 μm en 500 μm. Kies suiker met een deeltjesdiameter in het bereik van 270-500 μm.
- Fabriceer de porositeit-controleerbare PDMS diëlektrische laag.
- Weeg 5 g tolueen, 5 g PDMS-base en 0,5 g PDMS-uithardingsmiddel (zie materiaaltabel) af in een centrifugebuis (d.w.z. de massaverhouding van PDMS-base / tolueen / uithardingsmiddel is 10: 10: 1). Roer de oplossing gelijkmatig.
OPMERKING: De massaverhouding van PDMS-basisoplossing tot uithardingsmiddel is vastgesteld op 10:1, terwijl de massaverhouding van PDMS tot tolueen wordt gebruikt om de porositeit van de diëlektrische pdms-laag te regelen. De porositeit neemt af bij het verhogen van de PDMS-fractie. De minimale porositeit wordt verkregen wanneer er geen tolueen wordt toegevoegd. - Centrifugeer de oplossing op 875 x g gedurende 30 s bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen.
OPMERKING: Als het volume van de oplossing groot is, kan de oplossing in een bekerglas worden bereid. De centrifugale behandeling wordt vervangen door vacuümontgassing gedurende 15 minuten. - Plaats de in stap 1.1.1 verkregen vierkante suiker/erythritol poreuze sjabloon in een petrischaaltje. Plaats dubbelzijdige tape als afstandhouders onder de vier hoeken om de sjabloon van het oppervlak van de petrischaal te tillen.
OPMERKING: De sjabloon kan ook op een Si-wafer worden geplaatst, maar deze methode zal leiden tot een dikkere laag PDMS op de interface tussen de sjabloon en de Si-wafer, wat de sensorprestaties kan beïnvloeden. - Giet de PDMS/tolueenoplossing op de sjabloon en laat de petrischaal iets hellen zodat de oplossing alle openingen tussen de suikerdeeltjes volledig kan opvullen, zoals weergegeven in figuur 1B.
- Plaats de petrischaal met de met PDMS/tolueen gevulde poreuze sjabloon in een vacuüm exsiccator en ontgast gedurende 20 minuten.
- Breng de petrischaal van de vacuümexsiccator gedurende 45 minuten over in de oven bij 90 °C om het tolueen te verdampen en het vloeibare PDMS uit te harden.
- Dompel het uitgeharde PDMS ingebed in de poreuze sjabloon onder in gedeïoniseerd water (DI-water), zoals weergegeven in figuur 1C. Verwarm op een hete plaat op 140 °C totdat het suikersjabloon volledig is opgelost. Reinig het poreuze PDMS met DI-water.
- Weeg 5 g tolueen, 5 g PDMS-base en 0,5 g PDMS-uithardingsmiddel (zie materiaaltabel) af in een centrifugebuis (d.w.z. de massaverhouding van PDMS-base / tolueen / uithardingsmiddel is 10: 10: 1). Roer de oplossing gelijkmatig.
- Bereid de suiker / erythritol poreuze sjabloon volgens de onderstaande stappen.
- Fabricage van de flexibele elektrodelagen op basis van ECPC's
- Synthetiseer de ECPCs-inkt.
- Weeg 0,16 g CNT's (diameter: 10-20 nm, lengte: 10-30 μm, zie materiaaltabel) en 4 g tolueen af in een bekerglas en roer magnetisch bij 250 tpm gedurende 1,5 uur. Weeg ondertussen 2 g PDMS-basis en 2 g tolueen in een bekerglas en roer magnetisch bij 200 tpm gedurende 1 uur. Bedek het bekerglas al roerend met een afsluitfolie om verdamping van oplosmiddelen te voorkomen.
- Meng de CNT's/tolueen suspensie met de PDMS-basis-/tolueenoplossing en bedek het bekerglas met een afdichtingsfolie. Magnetisch roeren bij 250 rpm gedurende 2 uur.
- Voeg 0,2 g PDMS-uithardingsmiddel toe aan de gemengde oplossing. Magnetisch roeren bij 75 °C en 250 rpm gedurende 1 uur. Leg het bekerglas bloot voor verdamping van oplosmiddelen en suspensieconcentratie bij het roeren, zoals weergegeven in figuur 1D, E.
OPMERKING: De duur van roeren en verwarmen is instelbaar. De viscositeit van het mengsel neemt toe met de roertijd, wat de volgende schraaplaagbewerking vergemakkelijkt. De duur mag echter niet te lang zijn om te voorkomen dat de PDMS-oplossing uithardt. Wanneer het mengsel is geconcentreerd tot een viscositeit die geschikt is voor schraapcoating, is het inktsyntheseproces van ECPC's voltooid.
- Schraap de elektroden volgens de onderstaande stappen.
- Weeg tolueen, PDMS-base en PDMS-uithardingsmiddel in een centrifugebuis met een massaverhouding van 2:10:1. Roer de oplossing gelijkmatig.
- Centrifugeer de oplossing op 875 x g gedurende 30 s bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen.
- Giet 1,3 g PDMS/tolueenoplossing in een commercieel verkregen metalen elektrodemal (zie materiaaltabel) met een elektrodepatroon in reliëf, zoals weergegeven in figuur 1F.
OPMERKING: Het reliëfpatroon aan de onderkant van de mal is 0,2 mm dik. - Plaats de mal in een vacuüm exsiccator en ontgast gedurende 10 minuten.
- Laat het PDMS in de vorm uitharden op een hete plaat bij 90 °C gedurende 15 min. Verwijder de pdms-film met patroon na afkoeling bij kamertemperatuur.
- Bevestig de platte kant van de PDMS-film op een Si-wafer (d.w.z. belicht de zijkant met het elektrodepatroon). Zorg ervoor dat er geen luchtbellen bestaan tussen de PDMS-film en de Si-wafer.
- Schraap de ECPC-inkt die in stap 1.2.1 is voorbereid in het elektrodepatroon, zoals figuur 1G laat zien. Reinig de overtollige inkt met een stofvrij doekje met isopropylalcohol (IPA).
- Laat de ECPCs-inkt gedurende 15 minuten uitharden op een hete plaat bij 90 °C.
- Herhaal stap 1.2.2.3-1.2.2.8 om zowel de bovenste als de onderste elektrodelaag te vervaardigen.
- Synthetiseer de ECPCs-inkt.
- Verlijmen en verpakken van de zachte capacitieve sensoren
- Bevestig de metalen draad (zie materiaaltabel) aan de elektrode. Laat zilvergeleidende verf (zie materiaaltabel) op de verbindingslocatie vallen om een goede geleidbaarheid te garanderen, zoals weergegeven in figuur 1H. Wacht tot de zilvergeleidende verf bij kamertemperatuur droogt.
- Laat de in stap 1.2.2.1 bereide vloeibare PDMS-oplossing op de verbinding vallen om de gedroogde zilvergeleidende verf volledig af te dichten. Laat het PDMS uitharden op een hete plaat bij 90 °C gedurende 15 minuten.
- Herhaal stap 1.3.1-1.3.2 om de draad voor zowel de bovenste als de onderste elektrodelaag aan te sluiten.
- Breng een dunne laag vloeibaar PDMS, bereid in stap 1.2.2.1, gelijkmatig aan op de elektrodefilm als adhesielaag voor binding tussen de elektrodelaag en de diëlektrische laag.
- Plaats de poreuze PDMS-diëlektrische laag vervaardigd in stap 1.1.2 op de elektrodelaag.
- Laat de PDMS-lijm 10 minuten uitharden op een hete plaat bij 95 °C. Plaats een glazen petrischaal op het poreuze PDMS om te zorgen voor een goed contact tussen de twee lagen tijdens het verwarmen.
- Herhaal stap 1.3.4 voor de andere elektrodelaag. Keer de gebonden elektrode-diëlektrische laag die in stap 1.3.6 is verkregen om en plaats deze op de andere enkele elektrodelaag (d.w.z. om de poreuze PDMS-laag in direct contact met de elektrodelaag te hebben). Zorg ervoor dat de twee elektroden strikt tegenovergesteld aan elkaar zijn uitgelijnd.
- Herhaal stap 1.3.6 om de verbinding tussen de poreuze PDMS-laag en de andere elektrodelaag te voltooien.
OPMERKING: Een illustratie van de uiteindelijke sensor is weergegeven in figuur 1I. Illustraties van de structuur en materialen van de sensor zijn weergegeven in figuur 1J.
2. Experimenteel proces van karakterisering van sensorprestaties
- Stapdruklaadinstallatie en data-acquisitiesysteem
- Gebruik een 3D-geprint indruklichaam met een laadruimte met een cirkel van 2,5 cm diameter voor de drukbelasting (zie materiaaltabel) van de geteste sensor.
- Bevestig het indruklichaam op een verticale lineaire bewegende trap die wordt bestuurd door een stappenmotor (zie materiaaltabel) via een standaard trekdruksensor.
- Meet de capaciteit van de zachte capacitieve druksensor met een LCR-meter terwijl u de standaarddrukgegevens registreert met behulp van een DAQ-apparaat (Data Acquisition). Sluit zowel de LCR-meter als de DAQ aan op een computer waarop het LabVIEW-programma voor gegevensregistratie wordt uitgevoerd (zie Materiaaltabel).
OPMERKING: Illustraties van de experimentele opstelling zijn weergegeven in figuur 2. Tussen het indruklichaam en de standaard trekdruksensor wordt een veer aangebracht, die de verticale verplaatsing van de lineaire bewegende trap omzet in belastingsdruk.
- De detectieprestaties testen
- Bedien de stappenmotor om het indruklichaam verticaal naar beneden te laten bewegen met een geprogrammeerde afstand. Noteer de capaciteit en de standaarddrukgegevens door de laadkracht met hetzelfde interval in elke opeenvolgende laadcyclus te verhogen totdat de belastingsdruk 40 N (~ 80 kPa) bereikt.
- Bedien de stappenmotor om het indruklichaam verticaal te laten bewegen met dezelfde afstand als in de laatste stap. Noteer de capaciteit en de standaarddrukgegevens nadat het indruklichaam is gestabiliseerd. Herhaal de bewerking door de laadkracht met hetzelfde interval te verlagen; in elke opeenvolgende laadcyclus daalt de belastingsdruk tot 0 N.
- Bedien de stappenmotor om het indruklichaam verticaal naar beneden te laten bewegen met een geprogrammeerde afstand. Noteer de capaciteit en de standaard drukgegevens. Herhaal de laad- en lostests gedurende 2.500 cycli terwijl u de capaciteit van het te testen apparaat (DUT) registreert als functie van de standaarddrukmeting.
- Bedien het indruklichaam om snel in te drukken en een paar seconden stabiel te blijven voordat u terugkeert naar 0 N laden. Herhaal dit vijf keer en noteer de capaciteit als functie van de tijd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De foto van het poreuze sjabloon voor klontersuiker/erythritol is weergegeven in figuur 3A. Figuur 3B toont de flexibele elektrodelaag met een met schraaplaag bekleed ECPC-patroon. Figuur 3C toont de zachte capacitieve druksensor met een poreuze diëlektrische laag vervaardigd met de voorgestelde methode. Vier poreuze PDMS-diëlektrische lagen werden vervaardigd op basis van PDMS / tolueenoplossingen met verschillende massaverhoudingen van respectievelijk 1: 1, 3: 1, 5: 1 en 8: 1. Optische microscoopbeelden die de poriemorfologieën van de verschillende structuren tonen, worden weergegeven in figuur 3D. Het bleek dat de poriewanddikte toenam met een toenemende massaverhouding van de PDMS/tolueenoplossing.
Om de afhankelijkheid van de mechanische eigenschappen van de porositeit te verifiëren, werd een eindige elementenanalyse (FEA) uitgevoerd om de druk te simuleren die in de poreuze PDMS-diëlektrische laag werd ontwikkeld als functie van de drukspanning met behulp van geavanceerde numerieke modelleringssoftware (zie Tabel met materialen). Er werd een 3D-model gemaakt van het poreuze PDMS met open poriën, met een lengte van 2 mm op de z-as. De locatie van de poriën werd gefixeerd, terwijl de diameters werden veranderd om verschillende porositeiten te verkrijgen. Er werd een toenemende druk uitgeoefend in de z-as, terwijl periodieke en symmetrische randvoorwaarden werden toegepast in de x-as en y-as. Het simulatieresultaat in figuur 4A laat zien dat een hogere porositeit bijdroeg aan een grotere drukspanning met verbeterde lineariteit onder dezelfde toegepaste compressiedruk. Figuur 4B,C toont de capaciteit-drukresponscurve van de sensoren met poreuze PDMS-diëlektrische lagen met verschillende PDMS/tolueen-massaverhoudingen. In het drukbelastingsbereik van 0-10 kPa vertoonde de sensor met een 1:1 PDMS/tolueen massaverhouding de hoogste gevoeligheid van 3,47% kPa−1, wat meer dan twee keer hoger was dan die van de sensor met de 8:1 PDMS/tolueen massaverhouding (1,48% kPa−1). Naarmate de druk toenam, namen de poriën in de diëlektrische laag geleidelijk in omvang af, wat leidde tot een afname van de gevoeligheid totdat deze hetzelfde niveau van 0,66% -0,89% kPa−1 bereikte voor alle porositeiten, zoals weergegeven in figuur 4C. Figuur 4D toont de capacitieve respons op vijf opeenvolgende laad-losproeven bij dezelfde belastingsdruk van ongeveer 10 kPa. De responsietijd van de belasting (d.w.z. de tijd die nodig is om de sensorcapaciteit 90% van de steady-state waarde te laten bereiken) werd bepaald op ongeveer 0,2 s, zoals weergegeven in figuur 4E. Bovendien, zoals weergegeven in figuur 4F, toonden de cyclische tests ook aan dat de gefabriceerde zachte capacitieve sensor een uitstekende herhaalbaarheid had na 2.500 cycli.
Figuur 1: Schema van het fabricageproces. (A-C) De fabricagestroom van de poreuze PDMS-diëlektrische laag. (D,E) De bereiding van de ECPC-inkt. (F,G) Het schraapproces van de elektrodelaag. (H,I) Het draadverbindings- en hechtingsproces van de zachte capacitieve druksensor met de elektrode-poreuze diëlektrische laag-elektrode sandwichstructuur. (J) Illustraties van de structuur en materialen van de sensor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Experimentele opstelling . (A) Trapdrukbelastingsinstelling. (B) Data-acquisitiesysteem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Sensorstructuren . (A) Foto van het suiker/erythritol-sjabloon. (B) De flexibele elektrodelaag met het patroon van de met eclips beklede ECPC's. (C) Foto van de zachte capacitieve druksensor met de poreuze diëlektrische laag. (D) Optische microscoopbeelden van de poreuze PDMS-diëlektrische lagen vervaardigd met verschillende PDMS/tolueen-massaverhoudingen (PDMS-basis:tolueen = 1:1, 3:1, 5:1 en 8:1). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Simulatie en karakteriseringsresultaat. (A) Gesimuleerde spanning-rekcurve van de poreuze PDMS-lagen met verschillende porositeiten onder lage drukbelasting. (B,C) Druk-responscurve van de capacitieve druksensoren vervaardigd met PDMS/tolueenoplossingen met verschillende massaverhoudingen (PDMS-basis:tolueen = 1:1, 3:1, 5:1 en 8:1). (D,E) Dynamische respons van de sensor (PDMS-basis:tolueen = 1:1). F) Het resultaat van de stabiliteitstest van de poreuze capacitieve druksensor (2.500 belastingscycli). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit werk stelt een eenvoudige methode voor op basis van oplosmiddelverdamping om de porositeit te regelen, en een reeks experimentele resultaten hebben de haalbaarheid ervan bewezen. Hoewel de poreuze structuur veel is gebruikt in de flexibele capacitieve druksensor, moet de porositeitsregeling nog verder worden geoptimaliseerd. In tegenstelling tot bestaande methoden voor het wijzigen van de deeltjesgrootte van de PFA 11,12,13,18,19 en de verhouding van polymeersubstraat tot PFA 17,20, veranderen we de concentratie van de polymeersubstraatoplossing terwijl de grootte van de PFA (d.w.z. suiker) uniform blijft. Als gevolg hiervan verandert de dikte van de poriewand terwijl de porieverdeling vasthoudt, wat betekent dat de porositeit kan worden geregeld door de concentratie van de oplossing.
De meest kritische stap voor de porositeitscontrole is het voorbereiden van de PDMS/tolueenoplossing. De massaverhoudingen van de PDMS/tolueenoplossing werden gekozen als respectievelijk 1:1, 3:1, 5:1 en 8:1 om diëlektrische lagen met verschillende porositeiten te fabriceren. Er werd experimenteel bevestigd dat de afname van de massaverhouding leidde tot een hogere porositeit en een verhoogde gevoeligheid in het lagedrukbereik.
Het verwarmen van het suiker/erythritolmengsel om de poreuze sjabloon te fabriceren is ook een kritische, innovatieve stap. Anders dan bestaande methoden voor het verwarmen van zuivere suiker 21,22, het toevoegen van water23 en het toepassen van druk 24, werd het smeltpuntverschil van deze twee PFA-componenten gebruikt om de poreuze sjabloon te fabriceren. In dit protocol is de verwarmingstemperatuur hoger dan het smeltpunt van erythritol en lager dan het smeltpunt van suiker. Zo smelt het erythritolpoeder geleidelijk tijdens het verwarmingsproces en bindt de vaste suikerdeeltjes tot een plaatsuikerklontje. De massaverhouding van suiker tot erythritol bleek ook essentieel te zijn voor het succes van deze stap. Een hogere fractie van de erythritol zal de opening tussen de suikerdeeltjes opvullen, terwijl een lagere fractie zal leiden tot een falen in de binding.
Er zijn echter enkele beperkingen in het apparaat dat met deze methode is vervaardigd. Naarmate de belastingsdruk toeneemt, sluiten de poriën in de diëlektrische laag zich geleidelijk en komen de poriewanden met elkaar in contact, wat resulteert in een meer solide PDMS-achtige mechanische eigenschap. Dit fenomeen verklaart de onafhankelijkheid van gevoeligheid van porositeit, die werd gevonden in het hogere drukbereik boven 40 kPa voor onze sensor. Het is ook vermeldenswaard dat de sensor gemaakt met een 8: 1 PDMS-basis / tolueenmassaverhouding een aanzienlijk hogere gevoeligheid van 3,78% kPa−1 vertoonde in vergelijking met andere sensoren onder 5 kPa, wat kan worden toegeschreven aan een koppeling van de mechanische en elektrische eigenschappen geïnduceerd door de poreuze structuur.
Het onderzoek dat in dit werk wordt voorgesteld, maakt een goedkope en eenvoudig te bedienen fabricagemethode van poreuze capacitieve druksensoren met afstembare sensorparameters mogelijk, die brede toepassingsperspectieven heeft in zachte robotica, haptische interfaces, enz. In de toekomst kunnen volledig geïntegreerde bionische zachte robotgrijpers met zachte sensorische mechanoreceptoren van afstembare sensorparameters verder worden onderzocht op basis van deze methode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder 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).
