Summary
Viene presentato un metodo di fabbricazione semplice ed economico basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per ottimizzare le prestazioni di un sensore di pressione capacitivo morbido, che è reso possibile dal controllo della porosità nello strato dielettrico utilizzando diversi rapporti di massa della soluzione di stampaggio PDMS / toluene.
Abstract
I sensori di pressione dolce svolgono un ruolo significativo nello sviluppo della sensazione tattile "uomo-macchina" nella robotica morbida e nelle interfacce tattili. In particolare, i sensori capacitivi con matrici polimeriche microstrutturate sono stati esplorati con notevole sforzo a causa della loro elevata sensibilità, ampia gamma di linearità e tempi di risposta rapidi. Tuttavia, il miglioramento delle prestazioni di rilevamento si basa spesso sulla progettazione strutturale dello strato dielettrico, che richiede sofisticate strutture di microfabbricazione. Questo articolo riporta un metodo semplice e a basso costo per fabbricare sensori di pressione capacitivi porosi con una sensibilità migliorata utilizzando il metodo basato sull'evaporazione del solvente per regolare la porosità. Il sensore è costituito da uno strato dielettrico poroso di polidimetilsilossano (PDMS) legato con elettrodi superiore e inferiore realizzati in compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC). Gli elettrodi sono stati preparati mediante liquame conduttivo PDMS drogato con nanotubi di carbonio (CNT) in pellicole PDMS modellate con stampi. Per ottimizzare la porosità dello strato dielettrico per migliorare le prestazioni di rilevamento, la soluzione PDMS è stata diluita con toluene di diverse frazioni di massa invece di filtrare o macinare l'agente formante i pori dello zucchero (PFA) in diverse dimensioni. L'evaporazione del solvente toluene ha permesso la rapida fabbricazione di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabili. È stato confermato che la sensibilità potrebbe essere aumentata di più di due volte quando il rapporto toluene / PDMS è stato aumentato da 1: 8 a 1: 1. La ricerca proposta in questo lavoro consente un metodo a basso costo per fabbricare pinze robotiche morbide bioniche completamente integrate con meccanorecettori sensoriali morbidi di parametri di sensori sintonizzabili.
Introduction
Negli ultimi anni, i sensori di pressione flessibili hanno attirato l'attenzione grazie alla loro indispensabile applicazione nella robotica morbida 1,2,3, nelle interfacce tattili "uomo-macchina" 4,5 e nel monitoraggio della salute 6,7,8. Generalmente, i meccanismi per il rilevamento della pressione includono piezoresistivo 1,4,7, piezoelettrico 2,6, capacitivo 2,3,9,10,11,12,13 e triboelettrico 8 sensori. Tra questi, i sensori di pressione capacitivi si distinguono come uno dei metodi più promettenti nel rilevamento tattile grazie alla loro alta sensibilità, basso limite di rilevamento (LOD), ecc.
Per migliorare le prestazioni di rilevamento, varie microstrutture come micropiramidi 2,9,14, micropilastri 15 e micropori 9,10,11,12,13,16,17 sono state introdotte nei sensori di pressione capacitivi flessibili e i metodi di fabbricazione sono stati ottimizzati per migliorare ulteriormente il rilevamento prestazioni di tali strutture. Tuttavia, la maggior parte di queste strutture richiede sofisticate strutture di microfabbricazione, il che aumenta significativamente i costi di produzione e le difficoltà operative. Ad esempio, come la microstruttura più comunemente utilizzata nei sensori di pressione morbida, le micropiramidi si basano su wafer di Si litograficamente definiti e incisi a umido come modello di stampaggio, che richiede attrezzature di precisione e un ambiente rigoroso per camere bianche 9,14. Pertanto, le strutture a micropori (strutture porose) che possono essere realizzate con semplici processi di fabbricazione e con materie prime a basso costo pur mantenendo elevate prestazioni di rilevamento hanno attirato recentemente una crescente attenzione 9,10,11,12,13,16,17 . Questo sarà discusso, insieme agli svantaggi della modifica del PFA e della sua quantità, come motivazione per l'utilizzo del nostro metodo di controllo della frazione.
Qui, questo lavoro propone un metodo semplice e a basso costo basato sulla tecnica di evaporazione del solvente per fabbricare un sensore di pressione capacitivo flessibile poroso con porosità controllabile. Il processo di produzione completo comprende la fabbricazione dello strato dielettrico poroso PDMS, il rivestimento raschiante degli elettrodi e l'incollaggio di tre strati funzionali. In particolare, questo lavoro utilizza in modo innovativo una soluzione mista PDMS / toluene con un certo rapporto di massa per fabbricare lo strato dielettrico PDMS poroso basato sul modello di miscela zucchero / eritritolo. Nel frattempo, una dimensione uniforme delle particelle PFA garantisce una morfologia e una distribuzione uniformi dei pori; quindi, la porosità può essere controllata modificando il rapporto di massa PDMS/toluene. I risultati sperimentali mostrano che la sensibilità del sensore di pressione proposto può essere aumentata di oltre due volte aumentando il rapporto di massa PDMS/toluene da 1:8 a 1:1. La variazione dello spessore della parete dei micropori dovuta ai diversi rapporti di massa PDMS/toluene è confermata anche dalle immagini del microscopio ottico. Il sensore di pressione capacitivo morbido ottimizzato mostra prestazioni di rilevamento elevate con una sensibilità e un tempo di risposta rispettivamente del 3,47% kPa−1 e 0,2 s. Questo metodo consente di ottenere la fabbricazione rapida, a basso costo e facile da usare di uno strato dielettrico poroso con porosità controllabile.
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Protocol
1. Fabbricazione del sensore di pressione capacitivo morbido con uno strato dielettrico PDMS poroso
- Produzione dello strato dielettrico poroso PDMS
- Preparare il modello poroso di zucchero / eritritolo seguendo i passaggi seguenti.
- Filtrare lo zucchero con setacci campione con aperture di 270 μm e 500 μm. Scegli lo zucchero con un diametro delle particelle nell'intervallo 270-500 μm.
NOTA: Una dimensione delle particelle di zucchero più grande o più piccola è accettabile purché l'uniformità rientri nei limiti di tolleranza. Il diametro della particella di zucchero influenzerà la dimensione dei pori dello strato poroso PDMS prodotto in una fase successiva, ma non determinerà completamente la dimensione dei pori. - Macinare l'eritritolo (vedi Tabella dei materiali) in polvere per garantire una miscelazione più uniforme con lo zucchero.
- Pesare una certa quantità di zucchero filtrato e polvere di eritritolo con un rapporto di massa di 20: 1. Agitare per mescolarli uniformemente.
- Riempire la miscela zucchero/eritritolo in uno stampo metallico zucchero/eritritolo ottenuto commercialmente (vedi Tabella dei materiali). Premere la superficie per rendere il riempitivo compatto.
NOTA: Per garantire una facile sformatura nella fase successiva, uno strato di foglio di Al può essere inserito nello stampo prima dello zucchero / eritritolo. - Riscaldare lo stampo con la miscela zucchero/eritritolo in forno a convezione a 135 °C per 2 ore, come mostrato nella figura 1A. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, estrarre lo zucchero in zolletta (cioè il modello poroso).
- Filtrare lo zucchero con setacci campione con aperture di 270 μm e 500 μm. Scegli lo zucchero con un diametro delle particelle nell'intervallo 270-500 μm.
- Fabbricare lo strato dielettrico PDMS controllabile dalla porosità.
- Pesare 5 g di toluene, 5 g di base PDMS e 0,5 g di agente polimerizzante PDMS (vedere Tabella dei materiali) in una provetta da centrifuga (cioè, il rapporto di massa di base PDMS / toluene / agente di polimerizzazione è 10: 10: 10: 1). Mescolare la soluzione in modo uniforme.
NOTA: Il rapporto di massa tra la soluzione di base PDMS e l'agente di polimerizzazione è fissato a 10: 1, mentre il rapporto di massa tra PDMS e toluene viene utilizzato per controllare la porosità dello strato dielettrico PDMS. La porosità diminuisce quando si aumenta la frazione PDMS. La porosità minima si ottiene quando non viene aggiunto toluene. - Centrifugare la soluzione a 875 x g per 30 s a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.
NOTA: se il volume della soluzione è elevato, la soluzione può essere preparata in un becher. Il trattamento centrifugo viene sostituito dal degasaggio sotto vuoto per 15 minuti. - Posizionare la dima porosa quadrata zucchero/eritritolo ottenuta al punto 1.1.1 in una capsula di Petri. Inserire del nastro biadesivo come distanziatori sotto i quattro angoli per sollevare il modello dalla superficie della piastra di Petri.
NOTA: il modello può anche essere posizionato su un wafer Si, ma questo metodo porterà a uno strato più spesso di PDMS sull'interfaccia tra il modello e il wafer Si, che potrebbe influire sulle prestazioni del sensore. - Versare la soluzione PDMS/toluene sul modello e inclinare leggermente la capsula di Petri in modo che la soluzione possa riempire completamente tutti gli spazi vuoti tra le particelle di zucchero, come mostrato nella Figura 1B.
- Posizionare la capsula di Petri con la dima porosa riempita di soluzione PDMS/toluene in un essiccatore sottovuoto e degassare per 20 minuti.
- Trasferire la piastra di Petri dall'essiccatore sottovuoto nel forno a 90 °C per 45 minuti per far evaporare il toluene e polimerizzare il PDMS liquido.
- Immergere il PDMS polimerizzato incorporato nella dima porosa in acqua deionizzata (acqua DI), come mostrato nella Figura 1C. Riscaldare su una piastra calda a 140 °C fino a quando la sagoma di zucchero non si scioglie completamente. Pulire il PDMS poroso con acqua DI.
- Pesare 5 g di toluene, 5 g di base PDMS e 0,5 g di agente polimerizzante PDMS (vedere Tabella dei materiali) in una provetta da centrifuga (cioè, il rapporto di massa di base PDMS / toluene / agente di polimerizzazione è 10: 10: 10: 1). Mescolare la soluzione in modo uniforme.
- Preparare il modello poroso di zucchero / eritritolo seguendo i passaggi seguenti.
- Fabbricazione degli strati di elettrodi flessibili basati su ECPC
- Sintetizzare l'inchiostro ECPC.
- Pesare 0,16 g di CNT (diametro: 10-20 nm, lunghezza: 10-30 μm, vedi Tabella dei materiali) e 4 g di toluene in un becher e mescolare magneticamente a 250 giri/min per 1,5 ore. Nel frattempo, pesare 2 g di base PDMS e 2 g di toluene in un becher e mescolare magneticamente a 200 rpm per 1 ora. Coprire il becher con pellicola sigillante agitando per evitare l'evaporazione del solvente.
- Mescolare la sospensione CNT/toluene con la soluzione PDMS base/toluene e coprire il becher con una pellicola sigillante. Agitare magneticamente a 250 giri/min per 2 ore.
- Aggiungere 0,2 g di agente polimerizzante PDMS nella soluzione miscelata. Agitare magneticamente a 75 °C e 250 giri/min per 1 ora. Individuare il becher per l'evaporazione del solvente e la concentrazione della sospensione durante l'agitazione, come mostrato nella Figura 1D, E.
NOTA: La durata dell'agitazione e del riscaldamento è regolabile. La viscosità della miscela aumenta con il tempo di agitazione, il che facilita la successiva operazione di rasatura del rivestimento. Tuttavia, la durata non deve essere troppo lunga per evitare che la soluzione PDMS si polimerizzi. Quando la miscela è concentrata in una viscosità conveniente per il rivestimento raschiato, il processo di sintesi dell'inchiostro ECPCs è terminato.
- Raschia gli elettrodi seguendo i passaggi seguenti.
- Pesare toluene, base PDMS e agente di polimerizzazione PDMS in una provetta da centrifuga con un rapporto di massa di 2:10:1. Mescolare la soluzione in modo uniforme.
- Centrifugare la soluzione a 875 x g per 30 s a temperatura ambiente per rimuovere le bolle d'aria.
- Versare 1,3 g di soluzione PDMS/toluene in uno stampo metallico per elettrodi ottenuto commercialmente (vedere la tabella dei materiali) con un elettrodo in rilievo, come mostrato nella Figura 1F.
NOTA: Il motivo in rilievo nella parte inferiore dello stampo ha uno spessore di 0,2 mm. - Posizionare lo stampo in un essiccatore sottovuoto e degasare per 10 minuti.
- Polimerizzare il PDMS nello stampo su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti. Staccare il film PDMS modellato dopo il raffreddamento a temperatura ambiente.
- Attaccare il lato piatto del film PDMS su un wafer di Si (cioè, esporre il lato con il modello di elettrodi). Assicurarsi che non vi siano bolle d'aria tra il film PDMS e il wafer di Si.
- Raschiare l'inchiostro ECPCs preparato al punto 1.2.1 nel modello dell'elettrodo, come mostra la Figura 1G . Pulire l'inchiostro in eccesso con una salvietta priva di polvere imbevuta di alcool isopropilico (IPA).
- Polimerizzare l'inchiostro ECPCs su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti.
- Ripetere i passaggi 1.2.2.3-1.2.2.8 per fabbricare sia lo strato superiore che quello inferiore dell'elettrodo.
- Sintetizzare l'inchiostro ECPC.
- Incollaggio e confezionamento dei sensori capacitivi morbidi
- Fissare il filo metallico (vedere la tabella dei materiali) all'elettrodo. Far cadere la vernice conduttiva argentata (vedere la tabella dei materiali) nella posizione di connessione per garantire una buona conduttività, come mostrato nella Figura 1H. Attendere che la vernice conduttiva d'argento si asciughi a temperatura ambiente.
- Rilasciare la soluzione PDMS liquida preparata al punto 1.2.2.1 sulla connessione per sigillare completamente la vernice conduttiva d'argento essiccata. Polimerizzare il PDMS su una piastra calda a 90 °C per 15 minuti.
- Ripetere i passaggi 1.3.1-1.3.2 per collegare il filo per entrambi gli strati superiori e inferiori dell'elettrodo.
- Applicare uniformemente un sottile strato di PDMS liquido preparato al punto 1.2.2.1 sulla pellicola dell'elettrodo come strato di adesione per il legame tra lo strato dell'elettrodo e lo strato dielettrico.
- Posizionare lo strato dielettrico poroso PDMS fabbricato al punto 1.1.2 sullo strato dell'elettrodo.
- Polimerizzare la colla PDMS su una piastra calda a 95 °C per 10 minuti. Posizionare una capsula di Petri di vetro sul PDMS poroso per garantire un buon contatto tra i due strati durante il riscaldamento.
- Ripetere il passaggio 1.3.4 per l'altro strato di elettrodi. Invertire lo strato elettrodo-dielettrico incollato ottenuto al punto 1.3.6 e posizionarlo sull'altro strato di elettrodo singolo (cioè, per avere lo strato poroso PDMS a diretto contatto con lo strato dell'elettrodo). Assicurarsi che i due elettrodi siano rigorosamente allineati l'uno di fronte all'altro.
- Ripetere il passaggio 1.3.6 per completare il legame tra lo strato poroso PDMS e l'altro strato di elettrodi.
NOTA: un'illustrazione del sensore finale è mostrata nella Figura 1I. Le illustrazioni della struttura e dei materiali del sensore sono mostrate nella Figura 1J.
2. Processo sperimentale di caratterizzazione delle prestazioni del sensore
- Configurazione del carico di pressione passo-passo e sistema di acquisizione dati
- Utilizzare un penetratore stampato in 3D con un'area di carico che è un cerchio di 2,5 cm di diametro per il carico di pressione (vedi Tabella dei materiali) del sensore in prova.
- Fissare il penetratore su uno stadio di movimento lineare verticale controllato da un motore passo-passo (vedi Tabella dei materiali) attraverso un sensore di pressione di trazione standard.
- Misurare la capacità del sensore di pressione capacitivo morbido con un misuratore LCR durante la registrazione dei dati di pressione standard utilizzando un dispositivo di acquisizione dati (DAQ). Collegare sia il misuratore LCR che il DAQ a un computer che esegue il programma di data-logging LabVIEW (vedere Tabella dei materiali).
NOTA: le illustrazioni della configurazione sperimentale sono mostrate nella Figura 2. Una molla viene applicata tra il penetratore e il sensore di pressione di trazione standard, che converte lo spostamento verticale dello stadio mobile lineare in pressione di carico.
- Test delle prestazioni di rilevamento
- Controlla il motore passo-passo per spingere il penetratore a spostarsi verticalmente verso il basso di una distanza programmata. Registrare la capacità e i dati di pressione standard aumentando la forza di carico con lo stesso intervallo in ogni ciclo di carico consecutivo fino a quando la pressione di carico raggiunge 40 N (~80 kPa).
- Controllare il motore passo-passo per spingere il penetratore a salire verticalmente della stessa distanza dell'ultimo passaggio. Registrare la capacità e i dati di pressione standard dopo che il penetratore si è stabilizzato. Ripetere l'operazione diminuendo la forza di carico con lo stesso intervallo; in ogni ciclo di carico consecutivo, la pressione di carico scende a 0 N.
- Controlla il motore passo-passo per spingere il penetratore a spostarsi verticalmente verso il basso di una distanza programmata. Registrare la capacità e i dati di pressione standard. Ripetere i test di carico e scarico per 2.500 cicli registrando la capacità del dispositivo in prova (DUT) in funzione della lettura standard della pressione.
- Controllare il penetratore per premere rapidamente verso il basso e rimanere fermo per alcuni secondi prima di tornare al caricamento 0 N. Ripeti questa operazione cinque volte e registra la capacità in funzione del tempo.
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Representative Results
La fotografia del modello poroso di zucchero zolo/eritritolo è mostrata nella Figura 3A. La figura 3B mostra lo strato flessibile dell'elettrodo con un modello ECPCs rivestito di raschiatura. La figura 3C mostra il sensore di pressione capacitivo morbido con uno strato dielettrico poroso fabbricato con il metodo proposto. Quattro strati dielettrici porosi PDMS sono stati fabbricati sulla base di soluzioni PDMS / toluene con diversi rapporti di massa di 1: 1, 3: 1, 5: 1 e 8: 1, rispettivamente. Le immagini del microscopio ottico che mostrano le morfologie dei pori delle diverse strutture sono presentate in Figura 3D. È stato riscontrato che lo spessore della parete dei pori aumentava con un rapporto di massa crescente della soluzione PDMS / toluene.
Per verificare la dipendenza delle proprietà meccaniche dalla porosità, è stata effettuata un'analisi agli elementi finiti (FEA) per simulare la pressione sviluppata nello strato dielettrico poroso PDMS in funzione della deformazione compressiva utilizzando un avanzato software di modellazione numerica (vedi Tabella dei Materiali). È stato creato un modello 3D del PDMS poroso con pori aperti, con una lunghezza di 2 mm sull'asse z. La posizione dei pori è stata fissata, mentre i diametri sono stati modificati per ottenere porosità diverse. Una pressione crescente è stata applicata nell'asse z, mentre le condizioni al contorno periodiche e simmetriche sono state applicate nell'asse x e nell'asse y. Il risultato della simulazione nella Figura 4A mostra che una maggiore porosità ha contribuito a una maggiore deformazione compressiva con una migliore linearità sotto la stessa pressione di compressione applicata. La figura 4B,C mostra la curva di risposta capacità-pressione dei sensori con strati dielettrici PDMS porosi con diversi rapporti di massa PDMS/toluene. Nell'intervallo di carico di pressione di 0-10 kPa, il sensore con un rapporto di massa PDMS/toluene di 1:1 ha mostrato la sensibilità più elevata del 3,47% kPa−1, che era più del doppio superiore a quella del sensore con il rapporto massa PDMS/toluene 8:1 (1,48% kPa−1). All'aumentare della pressione, i pori dello strato dielettrico si sono gradualmente ridotti di dimensioni, portando ad una diminuzione della sensibilità fino a raggiungere lo stesso livello di 0,66%-0,89% kPa−1 per tutte le porosità, come mostrato nella Figura 4C. La figura 4D mostra la risposta capacitiva a cinque prove consecutive di carico-scarico alla stessa pressione di carico di circa 10 kPa. Il tempo di risposta del caricamento (cioè il tempo necessario affinché la capacità del sensore raggiunga il 90% del suo valore stazionario) è stato determinato in circa 0,2 s, come mostrato nella Figura 4E. Inoltre, come mostrato nella Figura 4F, i test ciclici hanno anche rivelato che il sensore capacitivo morbido fabbricato aveva un'eccellente ripetibilità dopo 2.500 cicli.
Figura 1: Schema del processo di fabbricazione. (A-C) Il flusso di fabbricazione dello strato dielettrico poroso PDMS. (D,E) La preparazione dell'inchiostro ECPCs. (F,G) Il processo di scrape-coating dello strato di elettrodi. (H,I) Il processo di collegamento e incollaggio del sensore di pressione capacitivo morbido con la struttura sandwich dello strato dielettrico poroso elettrodo-elettrodo. (J) Illustrazioni della struttura e dei materiali del sensore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Configurazione sperimentale . (A) Configurazione del carico a pressione passo-passo. (B) Sistema di acquisizione dati. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Strutture dei sensori . (A) Fotografia del modello zucchero/eritritolo. (B) Lo strato di elettrodi flessibili con il modello ECPCs rivestito di raschiatura. (C) Fotografia del sensore di pressione capacitivo morbido con lo strato dielettrico poroso. (D) Immagini al microscopio ottico degli strati dielettrici porosi PDMS fabbricati con diversi rapporti di massa PDMS/toluene (base PDMS:toluene = 1:1, 3:1, 5:1 e 8:1). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Risultati della simulazione e della caratterizzazione. (A) Curva sforzo-deformazione simulata degli strati porosi PDMS con diverse porosità sotto carichi a bassa pressione. (B,C) Curva pressione-risposta dei sensori di pressione capacitivi fabbricati con soluzioni PDMS/toluene con diversi rapporti di massa (base PDMS:toluene = 1:1, 3:1, 5:1 e 8:1). (D,E) Risposta dinamica del sensore (base PDMS:toluene = 1:1). (F) Il risultato della prova di stabilità del sensore di pressione capacitivo poroso (2.500 cicli di carico). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
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Discussion
Questo lavoro propone un metodo semplice basato sull'evaporazione del solvente per controllare la porosità, e una serie di risultati sperimentali hanno dimostrato la sua fattibilità. Sebbene la struttura porosa sia stata ampiamente utilizzata nel sensore di pressione capacitivo flessibile, il controllo della porosità necessita ancora di un'ulteriore ottimizzazione. A differenza dei metodi esistenti per modificare la dimensione delle particelle del PFA 11,12,13,18,19 e il rapporto tra substrato polimerico e PFA 17,20, cambiamo la concentrazione della soluzione di substrato polimerico mantenendo uniforme la dimensione del PFA (cioè lo zucchero). Di conseguenza, lo spessore della parete dei pori cambia mentre la distribuzione dei pori tiene, il che significa che la porosità può essere controllata dalla concentrazione della soluzione.
Il passo più critico per il controllo della porosità è la preparazione della soluzione PDMS/toluene. I rapporti di massa della soluzione PDMS/toluene sono stati scelti come 1:1, 3:1, 5:1 e 8:1, rispettivamente, per fabbricare strati dielettrici con porosità diverse. È stato confermato sperimentalmente che la diminuzione del rapporto di massa ha portato a una maggiore porosità e una maggiore sensibilità nell'intervallo di bassa pressione.
Anche il riscaldamento della miscela zucchero/eritritolo per fabbricare il modello poroso è un passo critico e innovativo. A differenza dei metodi esistenti di riscaldamento dello zucchero puro 21,22, aggiunta di acqua23 e applicazione della pressione 24, la differenza del punto di fusione di questi due componenti PFA è stata utilizzata per fabbricare il modello poroso. In questo protocollo, la temperatura di riscaldamento è superiore al punto di fusione dell'eritritolo e inferiore al punto di fusione dello zucchero. Pertanto, la polvere di eritritolo si scioglie gradualmente durante il processo di riscaldamento e lega le particelle di zucchero solido in una zolletta di zucchero piatto. Anche il rapporto di massa tra zucchero ed eritritolo è risultato essenziale per il successo di questo passaggio. Una frazione più alta dell'eritritolo riempirà il divario tra le particelle di zucchero, mentre una frazione inferiore porterà a un fallimento nel legame.
Tuttavia, esistono alcune limitazioni nel dispositivo fabbricato con questo metodo. All'aumentare della pressione di carico, i pori nello strato dielettrico si chiudono gradualmente e le pareti dei pori entrano in contatto tra loro, risultando in una proprietà meccanica più solida simile al PDMS. Questo fenomeno spiega l'indipendenza della sensibilità dalla porosità, che è stata trovata nell'intervallo di pressione superiore a 40 kPa per il nostro sensore. Vale anche la pena notare che il sensore realizzato con un rapporto base / massa toluene PDMS 8: 1 ha mostrato una sensibilità significativamente più elevata del 3,78% kPa-1 rispetto ad altri sensori inferiori a 5 kPa, che può essere attribuita a un accoppiamento delle proprietà meccaniche ed elettriche indotte dalla struttura porosa.
La ricerca proposta in questo lavoro consente un metodo di fabbricazione a basso costo e facile da usare di sensori di pressione capacitivi porosi con parametri del sensore sintonizzabili, che ha ampie prospettive di applicazione nella robotica morbida, nelle interfacce aptiche, ecc. In futuro, pinze robotiche morbide bioniche completamente integrate con meccanorecettori sensoriali morbidi di parametri del sensore sintonizzabili potranno essere ulteriormente ricercate sulla base di questo metodo.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China sotto 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 |
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