Summary
يتم تقديم طريقة تصنيع بسيطة وفعالة من حيث التكلفة تعتمد على تقنية تبخير المذيبات لتحسين أداء مستشعر الضغط السعوي الناعم ، والذي يتم تمكينه من خلال التحكم في المسامية في الطبقة العازلة باستخدام نسب كتلة مختلفة من محلول PDMS / التولوين المصبوب.
Abstract
تلعب مستشعرات الضغط الناعم دورا مهما في تطوير الإحساس باللمس "بين الإنسان والآلة" في الروبوتات اللينة والواجهات اللمسية. على وجه التحديد ، تم استكشاف أجهزة الاستشعار السعوية ذات مصفوفات البوليمر ذات البنية الدقيقة بجهد كبير بسبب حساسيتها العالية ونطاقها الخطي الواسع ووقت الاستجابة السريع. ومع ذلك ، فإن تحسين أداء الاستشعار غالبا ما يعتمد على التصميم الهيكلي للطبقة العازلة ، الأمر الذي يتطلب مرافق تصنيع دقيقة متطورة. تشير هذه المقالة إلى طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لتصنيع مستشعرات الضغط السعوي المسامية ذات الحساسية المحسنة باستخدام الطريقة القائمة على تبخر المذيبات لضبط المسامية. يتكون المستشعر من طبقة عازلة مسامية من البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) مرتبطة بأقطاب كهربائية علوية وسفلية مصنوعة من مركبات بوليمر موصلة مرنة (ECPCs). تم تحضير الأقطاب الكهربائية بواسطة أنابيب نانوية كربونية مطلية بالخدش (CNTs) مخدرة PDMS في أفلام PDMS منقوشة بالعفن. لتحسين مسامية الطبقة العازلة لتحسين أداء الاستشعار ، تم تخفيف محلول PDMS بالتولوين من كسور الكتلة المختلفة بدلا من تصفية أو طحن عامل تشكيل مسام السكر (PFA) إلى أحجام مختلفة. سمح تبخر مذيب التولوين بالتصنيع السريع لطبقة عازلة مسامية ذات مسامات يمكن التحكم فيها. تم التأكيد على أنه يمكن تعزيز الحساسية أكثر من ضعفين عندما تم زيادة نسبة التولوين إلى PDMS من 1: 8 إلى 1: 1. يتيح البحث المقترح في هذا العمل طريقة منخفضة التكلفة لتصنيع قوابض روبوتية إلكترونية ناعمة متكاملة تماما مع مستقبلات ميكانيكية حسية ناعمة لمعلمات الاستشعار القابلة للضبط.
Introduction
في السنوات الأخيرة ، لفتت مستشعرات الضغط المرنة الانتباه بسبب تطبيقها الذي لا غنى عنه في الروبوتات اللينة1،2،3 ، والواجهات اللمسية "بين الإنسان والآلة"4،5 ، ومراقبة الصحة6،7،8. بشكل عام ، تشمل آليات استشعار الضغط مقاومة الضغط1،4،7 ، كهرضغطية 2،6 ، سعوية2،3،9،10،11،12،13 ، و triboelectric8 اجهزه الاستشعار. من بينها ، تبرز مستشعرات الضغط السعوي كواحدة من أكثر الطرق الواعدة في الاستشعار عن طريق اللمس نظرا لحساسيتها العالية ، والحد المنخفض للكشف (LOD) ، إلخ.
للحصول على أداء استشعار أفضل ، تم إدخال العديد من البنى المجهرية مثل الأهرامات الدقيقة2،9،14 ، والأعمدة الدقيقة 15 ، والمسام الدقيقة 9،10،11،12،13،16،17 إلى مستشعرات الضغط السعوي المرنة ، كما تم تحسين طرق التصنيع لزيادة تحسين الاستشعار أداء هذه الهياكل. ومع ذلك ، فإن معظم هذه الهياكل تتطلب مرافق تصنيع دقيقة متطورة ، مما يزيد بشكل كبير من تكاليف التصنيع والصعوبات التشغيلية. على سبيل المثال ، باعتبارها البنية المجهرية الأكثر استخداما في مستشعرات الضغط الناعم ، تعتمد الأهرامات الدقيقة على رقائق Si المحددة بالطباعة الحجرية والمحفورة الرطبة كقالب صب ، الأمر الذي يتطلب معدات دقيقة وبيئة غرف الأبحاثالصارمة 9,14. لذلك ، فإن الهياكل الدقيقة (الهياكل المسامية) التي يمكن تصنيعها عن طريق عمليات تصنيع بسيطة وبمواد خام منخفضة التكلفة مع الحفاظ على أداء الاستشعار العالي قد جذبت اهتماما متزايدا مؤخرا9،10،11،12،13،16،17. سيتم مناقشة هذا ، إلى جانب عيوب تغيير PFA ومقداره ، كدافع لاستخدام طريقة التحكم في الكسور الخاصة بنا.
هنا ، يقترح هذا العمل طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة تعتمد على تقنية تبخر المذيبات لتصنيع مستشعر ضغط سعوي مرن مسامي مع مسامية يمكن التحكم فيها. تتضمن عملية التصنيع الكاملة تصنيع الطبقة العازلة المسامية PDMS ، وطلاء الكشط للأقطاب الكهربائية ، وربط ثلاث طبقات وظيفية. على وجه التحديد ، يستخدم هذا العمل بشكل مبتكر محلول مختلط PDMS / التولوين مع نسبة كتلة معينة لتصنيع طبقة عازلة PDMS المسامية بناء على قالب خليط السكر / الإريثريتول. وفي الوقت نفسه ، يضمن حجم جسيمات PFA الموحد مورفولوجيا المسام وتوزيعها بشكل موحد ؛ وبالتالي ، يمكن التحكم في المسامية عن طريق تغيير نسبة كتلة PDMS / التولوين. أظهرت النتائج التجريبية أنه يمكن تعزيز حساسية مستشعر الضغط المقترح بأكثر من ضعفين عن طريق زيادة نسبة كتلة PDMS / التولوين من 1: 8 إلى 1: 1. يتم تأكيد الاختلاف في سمك جدار المسام الدقيقة بسبب نسب كتلة PDMS / toluene المختلفة أيضا بواسطة صور المجهر الضوئي. يظهر مستشعر الضغط السعوي الناعم المحسن أداء استشعار عاليا مع حساسية ووقت استجابة يبلغ 3.47٪ كيلو باسكال −1 و 0.2 ثانية على التوالي. تحقق هذه الطريقة التصنيع السريع والمنخفض التكلفة وسهل التشغيل لطبقة عازلة مسامية ذات مسامية يمكن التحكم فيها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصنيع مستشعر الضغط السعوي الناعم بطبقة عازلة PDMS مسامية
- تصنيع الطبقة العازلة المسامية PDMS
- قم بإعداد قالب السكر / الإريثريتول المسامي باتباع الخطوات أدناه.
- قم بتصفية السكر باستخدام غرابيل العينة بفتحات 270 ميكرومتر و 500 ميكرومتر. اختر السكر بقطر جسيم يتراوح بين 270-500 ميكرومتر.
ملاحظة: حجم جزيئات السكر الأكبر أو الأصغر مقبول أيضا طالما أن التوحيد ضمن حدود التسامح. سيؤثر قطر جسيم السكر على حجم مسام طبقة PDMS المسامية المصنعة في خطوة لاحقة ولكنه لن يحدد حجم المسام تماما. - طحن الإريثريتول (انظر جدول المواد) إلى مسحوق لضمان خلط أكثر اتساقا مع السكر.
- تزن كمية معينة من السكر المصفى ومسحوق الإريثريتول بنسبة كتلة 20: 1. رج العبوة لخلطها بالتساوي.
- املأ خليط السكر / الإريثريتول في قالب معدني من السكر / الإريثريتول تم الحصول عليه تجاريا (انظر جدول المواد). اضغط على السطح لجعل الحشو مضغوطا.
ملاحظة: لضمان سهولة إزالة القوالب في الخطوة التالية ، يمكن وضع طبقة من رقائق Al في القالب قبل السكر / الإريثريتول. - سخني القالب بخليط السكر / الإريثريتول في فرن حراري على حرارة 135 درجة مئوية لمدة 2 ساعة ، كما هو موضح في الشكل 1 أ. بعد التبريد في درجة حرارة الغرفة ، أخرج سكر اللوحة المقطوعة (أي القالب المسامي).
- قم بتصفية السكر باستخدام غرابيل العينة بفتحات 270 ميكرومتر و 500 ميكرومتر. اختر السكر بقطر جسيم يتراوح بين 270-500 ميكرومتر.
- تصنيع طبقة عازلة PDMS التي يمكن التحكم فيها بالمسامية.
- وزن 5 جم من التولوين ، و 5 جم من قاعدة PDMS ، و 0.5 جم من عامل معالجة PDMS (انظر جدول المواد) في أنبوب طرد مركزي (أي أن نسبة كتلة قاعدة PDMS / التولوين / عامل المعالجة هي 10: 10: 1). حرك الحل بالتساوي.
ملاحظة: تم تثبيت نسبة الكتلة لمحلول قاعدة PDMS إلى عامل المعالجة عند 10: 1 ، بينما يتم استخدام نسبة كتلة PDMS إلى التولوين للتحكم في مسامية الطبقة العازلة PDMS. تنخفض المسامية عند زيادة جزء PDMS. يتم الحصول على الحد الأدنى من المسامية عند عدم إضافة التولوين. - جهاز طرد مركزي الحل عند 875 × جم لمدة 30 ثانية في درجة حرارة الغرفة لإزالة فقاعات الهواء.
ملاحظة: إذا كان حجم المحلول كبيرا، فيمكن تحضير المحلول في دورق. يتم استبدال المعالجة بالطرد المركزي عن طريق تفريغ الفراغ لمدة 15 دقيقة. - ضع قالب السكر المربع / الإريثريتول المسامي الذي تم الحصول عليه في الخطوة 1.1.1 في طبق بتري. أدخل شريطا على الوجهين كفواصل أسفل الزوايا الأربع لرفع القالب عن سطح طبق بتري.
ملاحظة: يمكن أيضا وضع القالب على رقاقة Si ، ولكن هذه الطريقة ستؤدي إلى طبقة أكثر سمكا من PDMS على الواجهة بين القالب ورقاقة Si ، مما قد يؤثر على أداء المستشعر. - صب محلول PDMS / التولوين على القالب ، وقم بإمالة طبق بتري قليلا حتى يتمكن المحلول من ملء جميع الفجوات بين جزيئات السكر تماما ، كما هو موضح في الشكل 1 ب.
- ضع طبق بتري مع قالب مسامي مملوء بمحلول PDMS / التولوين في مجفف فراغ ، وقم بنزع الغازات لمدة 20 دقيقة.
- انقل طبق بتري من مجفف الفراغ إلى الفرن على حرارة 90 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة لتبخير التولوين ومعالجة PDMS السائل.
- اغمر PDMS المعالج المضمن في القالب المسامي في الماء منزوع الأيونات (ماء DI) ، كما هو موضح في الشكل 1C. يسخن على طبق ساخن على حرارة 140 درجة مئوية حتى يذوب قالب السكر تماما. نظف PDMS المسامي بماء DI.
- وزن 5 جم من التولوين ، و 5 جم من قاعدة PDMS ، و 0.5 جم من عامل معالجة PDMS (انظر جدول المواد) في أنبوب طرد مركزي (أي أن نسبة كتلة قاعدة PDMS / التولوين / عامل المعالجة هي 10: 10: 1). حرك الحل بالتساوي.
- قم بإعداد قالب السكر / الإريثريتول المسامي باتباع الخطوات أدناه.
- تصنيع طبقات القطب المرنة على أساس ECPCs
- توليف حبر ECPCs.
- تزن 0.16 جم من الأنابيب النانوية الكربونية (القطر: 10-20 نانومتر ، الطول: 10-30 ميكرومتر ، انظر جدول المواد) و 4 جم من التولوين في دورق ، ويقلب مغناطيسيا عند 250 دورة في الدقيقة لمدة 1.5 ساعة. في هذه الأثناء ، قم بوزن 2 جم من قاعدة PDMS و 2 جم من التولوين في دورق ، وحرك مغناطيسيا عند 200 دورة في الدقيقة لمدة 1 ساعة. قم بتغطية الدورق بغشاء مانع للتسرب مع التقليب لمنع تبخر المذيبات.
- امزج معلق الأنابيب النانوية الكربونية / التولوين مع قاعدة PDMS / محلول التولوين ، وقم بتغطية الدورق بغشاء مانع للتسرب. حرك مغناطيسيا عند 250 دورة في الدقيقة لمدة 2 ساعة.
- أضف 0.2 جم من عامل معالجة PDMS إلى المحلول المختلط. يقلب مغناطيسيا عند 75 درجة مئوية و 250 دورة في الدقيقة لمدة 1 ساعة. اكشف الغطاء عن الكأس الزجاجية لتبخر المذيب وتركيز المعلق عند التقليب، كما هو موضح في الشكل 1د، ه.
ملاحظة: مدة التحريك والتسخين قابلة للتعديل. تزداد لزوجة الخليط مع وقت التحريك ، مما يسهل عملية طلاء الكشط التالية. ومع ذلك ، يجب ألا تكون المدة طويلة جدا لمنع حل PDMS من المعالجة. عندما يتم تركيز الخليط على لزوجة ملائمة لطلاء الكشط ، يتم الانتهاء من عملية تخليق حبر ECPCs.
- قم بتغطية الأقطاب الكهربائية باتباع الخطوات أدناه.
- وزن التولوين ، قاعدة PDMS ، وعامل معالجة PDMS في أنبوب طرد مركزي بنسبة كتلة 2: 10: 1. حرك الحل بالتساوي.
- جهاز طرد مركزي الحل عند 875 × جم لمدة 30 ثانية في درجة حرارة الغرفة لإزالة فقاعات الهواء.
- صب 1.3 جم من محلول PDMS / التولوين في قالب معدني قطب كهربائي تم الحصول عليه تجاريا (انظر جدول المواد) بنمط قطب كهربائي منقوش ، كما هو موضح في الشكل 1F.
ملاحظة: يبلغ سمك النمط المنقوش في الجزء السفلي من القالب 0.2 مم. - ضع القالب في مجفف فراغ ، وديغا لمدة 10 دقائق.
- عالج PDMS في القالب على طبق ساخن عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. انزع فيلم PDMS المنقوش بعد التبريد في درجة حرارة الغرفة.
- قم بتوصيل الجانب المسطح من فيلم PDMS برقاقة Si (على سبيل المثال ، فضح الجانب بنمط القطب الكهربائي). تأكد من عدم وجود فقاعات هواء بين فيلم PDMS ورقاقة Si.
- قم بتغطية حبر ECPCs المحضر في الخطوة 1.2.1 في نمط القطب ، كما يوضح الشكل 1G . نظف الحبر الزائد باستخدام منديل خال من الغبار بكحول الأيزوبروبيل (IPA).
- عالج حبر ECPCs على طبق ساخن عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
- كرر الخطوات 1-2-2-3-1-2-2-8 لتصنيع كل من طبقات الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية.
- توليف حبر ECPCs.
- الترابط والتعبئة والتغليف لأجهزة الاستشعار بالسعة الناعمة
- قم بتوصيل السلك المعدني (انظر جدول المواد) بالقطب. قم بإسقاط الطلاء الفضي الموصل (انظر جدول المواد) في موقع التوصيل لضمان التوصيل الجيد ، كما هو موضح في الشكل 1H. انتظر حتى يجف الطلاء الفضي الموصل في درجة حرارة الغرفة.
- قم بإسقاط محلول PDMS السائل المحضر في الخطوة 1.2.2.1 على الوصلة لإغلاق الطلاء المجفف بالفضة الموصلة تماما. عالج PDMS على طبق ساخن على درجة حرارة 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
- كرر الخطوات 1.3.1-1.3.2 لتوصيل السلك لكل من طبقات القطب العلوي والسفلي.
- ضع طبقة رقيقة من PDMS السائل المحضر في الخطوة 1.2.2.1 بالتساوي على فيلم القطب كطبقة التصاق للترابط بين طبقة القطب والطبقة العازلة.
- ضع الطبقة العازلة المسامية PDMS المصنعة في الخطوة 1.1.2 على طبقة القطب.
- عالج غراء PDMS على طبق ساخن على درجة حرارة 95 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. ضع طبق بتري زجاجي على PDMS المسامي لضمان ملامسة جيدة بين الطبقتين أثناء التسخين.
- كرر الخطوة 1.3.4 لطبقة القطب الأخرى. اعكس الطبقة العازلة للقطب الكهربائي المستعبدين التي تم الحصول عليها في الخطوة 1.3.6 ، وضعها على طبقة القطب المفرد الأخرى (أي أن تكون طبقة PDMS المسامية على اتصال مباشر بطبقة القطب). تأكد من محاذاة القطبين بشكل صارم مقابل بعضهما البعض.
- كرر الخطوة 1.3.6 لإنهاء الترابط بين طبقة PDMS المسامية وطبقة القطب الأخرى.
ملاحظة: يظهر رسم توضيحي للمستشعر النهائي في الشكل 1I. يتم عرض الرسوم التوضيحية لهيكل ومواد المستشعر في الشكل 1J.
2. العملية التجريبية لتوصيف أداء المستشعر
- إعداد تحميل الضغط ونظام الحصول على البيانات
- استخدم مسافة بادئة مطبوعة ثلاثية الأبعاد مع منطقة تحميل قطرها دائرة 2.5 سم لتحميل الضغط (انظر جدول المواد) للمستشعر قيد الاختبار.
- ثبت المسافة البادئة على مرحلة متحركة خطية رأسية يتم التحكم فيها بواسطة محرك متدرج (انظر جدول المواد) من خلال مستشعر ضغط سحب قياسي.
- قم بقياس سعة مستشعر الضغط السعوي الناعم باستخدام مقياس LCR أثناء تسجيل بيانات الضغط القياسية باستخدام جهاز الحصول على البيانات (DAQ). قم بتوصيل كل من مقياس LCR وDAQ بجهاز كمبيوتر يقوم بتشغيل برنامج تسجيل بيانات LabVIEW (انظر جدول المواد).
ملاحظة: يتم عرض الرسوم التوضيحية للإعداد التجريبي في الشكل 2. يتم تطبيق زنبرك بين المسافة البادئة ومستشعر ضغط السحب القياسي ، والذي يحول الإزاحة الرأسية لمرحلة الحركة الخطية إلى ضغط تحميل.
- اختبار أداء الاستشعار
- تحكم في المحرك المتدرج لدفع المسافة البادئة للتحرك عموديا بمسافة مبرمجة. سجل السعة وبيانات الضغط القياسية عن طريق زيادة قوة التحميل بنفس الفاصل الزمني في كل دورة تحميل متتالية حتى يصل ضغط التحميل إلى 40 نيوتن (~ 80 كيلو باسكال).
- تحكم في المحرك المتدرج لدفع المسافة البادئة للتحرك عموديا بنفس المسافة كما في الخطوة الأخيرة. سجل السعة وبيانات الضغط القياسية بعد استقرار المسافة البادئة. كرر العملية عن طريق تقليل قوة التحميل بنفس الفاصل الزمني ؛ في كل دورة تحميل متتالية ، ينخفض ضغط التحميل إلى 0 نيوتن.
- تحكم في المحرك المتدرج لدفع المسافة البادئة للتحرك عموديا بمسافة مبرمجة. سجل السعة وبيانات الضغط القياسية. كرر اختبارات التحميل والتفريغ لمدة 2500 دورة أثناء تسجيل سعة الجهاز قيد الاختبار (DUT) كدالة لقراءة الضغط القياسية.
- تحكم في المسافة البادئة للضغط لأسفل بسرعة والبقاء ثابتا لبضع ثوان قبل العودة إلى تحميل 0 N. كرر ذلك خمس مرات ، وسجل السعة كدالة للوقت.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تظهر صورة قالب السكر / الإريثريتول المسامي المقطوع في الشكل 3 أ. يوضح الشكل 3B طبقة القطب المرنة بنمط ECPCs المطلي بالكشط. يوضح الشكل 3C مستشعر الضغط السعوي الناعم بطبقة عازلة مسامية ملفقة بالطريقة المقترحة. تم تصنيع أربع طبقات عازلة PDMS مسامية بناء على محاليل PDMS / التولوين بنسب كتلة مختلفة تبلغ 1: 1 و 3: 1 و 5: 1 و 8: 1 على التوالي. يتم عرض صور المجهر الضوئي التي توضح أشكال المسام للهياكل المختلفة في الشكل 3D. وجد أن سمك جدار المسام يزداد مع زيادة نسبة كتلة محلول PDMS / التولوين.
للتحقق من اعتماد الخواص الميكانيكية على المسامية ، تم إجراء تحليل العناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة الضغط المتطور في الطبقة العازلة PDMS المسامية كدالة للإجهاد الانضغاطي باستخدام برنامج النمذجة العددية المتقدمة (انظر جدول المواد). تم إنشاء نموذج 3D من PDMS المسامية مع المسام المفتوحة ، بطول 2 مم على المحور z. تم إصلاح موقع المسام ، بينما تم تغيير الأقطار للحصول على مسامات مختلفة. تم تطبيق ضغط متزايد في المحور z ، بينما تم تطبيق ظروف الحدود الدورية والمتماثلة في المحور السيني والمحور ص. تظهر نتيجة المحاكاة في الشكل 4 أ أن المسامية الأعلى ساهمت في إجهاد ضغط أكبر مع تحسين الخطية تحت نفس ضغط الضغط المطبق. يوضح الشكل 4B ، C منحنى استجابة السعة والضغط لأجهزة الاستشعار ذات الطبقات العازلة المسامية PDMS بنسب كتلة PDMS / toluene مختلفة. في نطاق تحميل الضغط من 0-10 كيلو باسكال ، أظهر المستشعر بنسبة كتلة 1: 1 PDMS / toluene أعلى حساسية تبلغ 3.47٪ kPa − 1 ، والتي كانت أعلى بأكثر من الضعف من المستشعر مع نسبة كتلة 8: 1 PDMS / التولوين (1.48٪ kPa −1). مع زيادة الضغط ، انخفض حجم المسام في الطبقة العازلة تدريجيا ، مما أدى إلى انخفاض الحساسية حتى وصلت إلى نفس المستوى من 0.66٪ -0.89٪ kPa−1 لجميع المساميات ، كما هو موضح في الشكل 4C. يوضح الشكل 4D الاستجابة السعوية لخمسة اختبارات تحميل وتفريغ متتالية تحت نفس ضغط التحميل البالغ حوالي 10 كيلو باسكال. تم تحديد وقت استجابة التحميل (أي الوقت اللازم لسعة المستشعر للوصول إلى 90٪ من قيمة الحالة المستقرة) ليكون حوالي 0.2 ثانية ، كما هو موضح في الشكل 4E. بالإضافة إلى ذلك ، كما هو موضح في الشكل 4F ، كشفت الاختبارات الدورية أيضا أن مستشعر السعة اللينة المصنع يتمتع بقابلية تكرار ممتازة بعد 2500 دورة.
الشكل 1: رسم تخطيطي لعملية التصنيع. (أ-ج) تدفق التصنيع للطبقة العازلة PDMS المسامية. (د، ه) إعداد حبر ECPCs. (و ، ز) عملية طلاء الكشط لطبقة القطب. (ح، ط) عملية توصيل الأسلاك والترابط لمستشعر الضغط السعوي الناعم مع هيكل شطيرة القطب الكهربائي المسامي. (ي) الرسوم التوضيحية لهيكل ومواد جهاز الاستشعار. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: الإعداد التجريبي . (أ) إعداد تحميل الضغط المتدرج. (ب) نظام الحصول على البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: هياكل المستشعر . (أ) صورة فوتوغرافية لقالب السكر/الإريثريتول. (ب) طبقة القطب المرنة مع نمط ECPCs المطلي بالكشط. (ج) صورة فوتوغرافية لمستشعر الضغط السعوي الناعم مع الطبقة العازلة المسامية. (د) صور المجهر الضوئي للطبقات العازلة المسامية PDMS المصنعة بنسب كتلة PDMS / التولوين المختلفة (قاعدة PDMS: التولوين = 1: 1 ، 3: 1 ، 5: 1 ، و 8: 1). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: نتيجة المحاكاة والتوصيف . (أ) منحنى محاكاة الإجهاد والانفعال لطبقات PDMS المسامية ذات المسامية المختلفة تحت أحمال الضغط المنخفض. (ب، ج) منحنى استجابة الضغط لمستشعرات الضغط السعوية المصنعة بمحاليل PDMS / التولوين بنسب كتلة مختلفة (قاعدة PDMS: التولوين = 1: 1 ، 3: 1 ، 5: 1 ، و 8: 1). (د، ه) الاستجابة الديناميكية للمستشعر (قاعدة PDMS: التولوين = 1: 1). (F) نتيجة اختبار الثبات لمستشعر الضغط السعوي المسامي (2500 دورة تحميل). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يقترح هذا العمل طريقة بسيطة تعتمد على تبخر المذيبات للتحكم في المسامية ، وقد أثبتت سلسلة من النتائج التجريبية جدواها. على الرغم من استخدام الهيكل المسامي على نطاق واسع في مستشعر الضغط السعوي المرن ، إلا أن التحكم في المسامية لا يزال بحاجة إلى مزيد من التحسين. على عكس الطرق الحالية لتغيير حجم الجسيمات في PFA 11،12،13،18،19 ونسبة ركيزة البوليمر إلى PFA 17،20 ، نقوم بتغيير تركيز محلول ركيزة البوليمر مع الحفاظ على حجم PFA (أي السكر) موحدا. نتيجة لذلك ، يتغير سمك جدار المسام أثناء ثبات توزيع المسام ، مما يعني أنه يمكن التحكم في المسامية عن طريق تركيز المحلول.
الخطوة الأكثر أهمية للتحكم في المسامية هي تحضير محلول PDMS / التولوين. تم اختيار نسب الكتلة لمحلول PDMS / toluene على النحو التالي: 1 و 3: 1 و 5: 1 و 8: 1 على التوالي لتصنيع طبقات عازلة ذات مسامات مختلفة. تم التأكيد تجريبيا على أن الانخفاض في نسبة الكتلة أدى إلى زيادة المسامية وزيادة الحساسية في نطاق الضغط المنخفض.
يعد تسخين خليط السكر / الإريثريتول لتصنيع القالب المسامي أيضا خطوة حاسمة ومبتكرة. يختلف عن الطرق الحالية لتسخين السكر النقي 21,22 ، وإضافة الماء23 ، وتطبيق الضغط24 ، تم استخدام فرق درجة الانصهار لهذين المكونين PFA لتصنيع القالب المسامي. في هذا البروتوكول ، تكون درجة حرارة التسخين أعلى من نقطة انصهار الإريثريتول وأقل من درجة انصهار السكر. وبالتالي ، يذوب مسحوق الإريثريتول تدريجيا أثناء عملية التسخين ويربط جزيئات السكر الصلبة في كتلة سكر الصفيحة. كما وجد أن نسبة كتلة السكر إلى الإريثريتول ضرورية لنجاح هذه الخطوة. جزء أعلى من الإريثريتول سوف يملأ الفجوة بين جزيئات السكر ، في حين أن الجزء الأقل سيؤدي إلى فشل في الترابط.
ومع ذلك ، توجد بعض القيود في الجهاز ملفقة بهذه الطريقة. مع زيادة ضغط التحميل ، تغلق المسام في الطبقة العازلة تدريجيا ، وتتلامس جدران المسام مع بعضها البعض ، مما ينتج عنه خاصية ميكانيكية أكثر صلابة تشبه PDMS. تفسر هذه الظاهرة استقلال الحساسية عن المسامية ، والتي تم العثور عليها في نطاق الضغط الأعلى فوق 40 كيلو باسكال لمستشعرنا. وتجدر الإشارة أيضا إلى أن المستشعر المصنوع من نسبة كتلة أساسية / تولوين 8: 1 PDMS أظهر حساسية أعلى بكثير تبلغ 3.78٪ kPa − 1 مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى التي تقل عن 5 كيلو باسكال ، والتي يمكن أن تعزى إلى اقتران الخواص الميكانيكية والكهربائية التي يسببها الهيكل المسامي.
يتيح البحث المقترح في هذا العمل طريقة تصنيع منخفضة التكلفة وسهلة التشغيل لأجهزة استشعار الضغط السعوية المسامية مع معلمات مستشعر قابلة للضبط ، والتي لها آفاق تطبيق واسعة في الروبوتات اللينة ، والواجهات اللمسية ، وما إلى ذلك. في المستقبل ، يمكن إجراء مزيد من البحث في القابضات الروبوتية الناعمة الإلكترونية المتكاملة تماما مع المستقبلات الميكانيكية الحسية الناعمة لمعلمات المستشعر القابلة للضبط بناء على هذه الطريقة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار 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).
