Summary
En enkel og omkostningseffektiv fabrikationsmetode baseret på opløsningsmiddelfordampningsteknikken præsenteres for at optimere ydeevnen for en blød kapacitiv tryksensor, som muliggøres af porøsitetskontrol i det dielektriske lag ved hjælp af forskellige masseforhold af støbe-PDMS / toluenopløsningen.
Abstract
Bløde tryksensorer spiller en væsentlig rolle i udviklingen af "menneske-maskine" taktil fornemmelse i blød robotik og haptiske grænseflader. Specifikt er kapacitive sensorer med mikrostrukturerede polymermatricer blevet udforsket med betydelig indsats på grund af deres høje følsomhed, brede linearitetsområde og hurtige responstid. Imidlertid afhænger forbedringen af sensorydelsen ofte af det strukturelle design af det dielektriske lag, hvilket kræver sofistikerede mikrofabrikationsfaciliteter. Denne artikel rapporterer en enkel og billig metode til fremstilling af porøse kapacitive tryksensorer med forbedret følsomhed ved hjælp af den opløsningsmiddelfordampningsbaserede metode til at indstille porøsiteten. Sensoren består af et porøst polydimethylsiloxan (PDMS) dielektrisk lag bundet med top- og bundelektroder fremstillet af elastiske ledende polymerkompositter (ECPC'er). Elektroderne blev fremstillet ved skrabebelægning af kulstofnanorør (CNT'er) -doteret PDMS-ledende opslæmning i formmønstrede PDMS-film. For at optimere porøsiteten af det dielektriske lag for forbedret sensorydelse blev PDMS-opløsningen fortyndet med toluen af forskellige massefraktioner i stedet for at filtrere eller male det sukkerporedannende middel (PFA) i forskellige størrelser. Fordampningen af toluenopløsningsmidlet tillod hurtig fremstilling af et porøst dielektrisk lag med kontrollerbare porøsiteter. Det blev bekræftet, at følsomheden kunne forbedres mere dobbelt, når toluen til PDMS-forholdet blev øget fra 1:8 til 1:1. Den forskning, der foreslås i dette arbejde, muliggør en billig metode til fremstilling af fuldt integrerede bioniske bløde robotgribere med bløde sensoriske mekanoreceptorer af justerbare sensorparametre.
Introduction
I de senere år har fleksible tryksensorer tiltrukket opmærksomhed på grund af deres uundværlige anvendelse i blød robotik 1,2,3, "menneske-maskine" haptiske grænseflader4,5 og sundhedsovervågning 6,7,8. Generelt omfatter mekanismerne til tryksensing piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapacitiv 2,3,9,10,11,12,13 og triboelektrisk 8 Sensorer. Blandt dem skiller kapacitive tryksensorer sig ud som en af de mest lovende metoder inden for taktil sensing på grund af deres høje følsomhed, lave detektionsgrænse (LOD) osv.
For bedre sensorydelse er forskellige mikrostrukturer såsom mikropyramider 2,9,14, mikrosøjler 15 og mikroporer9,10,11,12,13,16,17 blevet introduceret til fleksible kapacitive tryksensorer, og fremstillingsmetoderne er også optimeret til yderligere at forbedre sensoren forestillinger af sådanne strukturer. Imidlertid kræver de fleste af disse strukturer sofistikerede mikrofabrikationsfaciliteter, hvilket øger produktionsomkostningerne og driftsvanskelighederne betydeligt. For eksempel, som den mest almindeligt anvendte mikrostruktur i bløde tryksensorer, er mikropyramider afhængige af litografisk definerede og vådætsede Si-skiver som støbeskabelon, hvilket kræver præcisionsudstyr og et strengt renrumsmiljø 9,14. Derfor har mikroporestrukturer (porøse strukturer), der kan fremstilles ved enkle fabrikationsprocesser og med billige råmaterialer, samtidig med at der opretholdes høje sensorpræstationer, tiltrukket stigende opmærksomhed for nylig 9,10,11,12,13,16,17. Dette vil blive diskuteret, sammen med ulemperne ved at ændre PFA og dens mængde, som motivation for at bruge vores fraktionskontrolmetode.
Heri foreslår dette arbejde en enkel og billig metode baseret på opløsningsmiddel-fordampningsteknikken til fremstilling af en porøs fleksibel kapacitiv tryksensor med kontrollerbar porøsitet. Den komplette fremstillingsproces inkluderer fremstilling af det porøse PDMS dielektriske lag, skrabebelægningen af elektroderne og bindingen af tre funktionelle lag. Specifikt bruger dette arbejde innovativt en PDMS / toluen blandet opløsning med et bestemt masseforhold til at fremstille det porøse PDMS dielektriske lag baseret på sukker / erythritolblandingsskabelonen. I mellemtiden sikrer en ensartet PFA-partikelstørrelse ensartet poremorfologi og fordeling; porøsiteten kan således styres ved at ændre PDMS / toluenmasseforholdet. De eksperimentelle resultater viser, at følsomheden af den foreslåede tryksensor kan forbedres mere end det dobbelte ved at øge PDMS / toluenmasseforholdet fra 1: 8 til 1: 1. Variationen i mikroporevægtykkelsen på grund af forskellige PDMS / toluen-masseforhold bekræftes også af optiske mikroskopbilleder. Den optimerede bløde kapacitive tryksensor viser en høj sensorydelse med en følsomhed og responstid på henholdsvis 3,47% kPa-1 og 0,2 sek. Denne metode opnår hurtig, billig og nem fremstilling af et porøst dielektrisk lag med kontrollerbar porøsitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af den bløde kapacitive tryksensor med et porøst PDMS dielektrisk lag
- Fremstilling af det porøse PDMS dielektriske lag
- Forbered sukker / erythritol porøs skabelon ved at følge nedenstående trin.
- Sukkeret filtreres med prøvesigter med åbninger på 270 μm og 500 μm. Vælg sukker med en partikeldiameter i området 270-500 μm.
BEMÆRK: En større eller mindre sukkerpartikelstørrelse er også acceptabel, så længe ensartetheden er inden for tolerancegrænserne. Diameteren af sukkerpartiklen vil påvirke porestørrelsen af det porøse PDMS-lag, der fremstilles i et senere trin, men vil ikke bestemme porestørrelsen fuldstændigt. - Mal erythritol (se tabel over materialer) i pulver for at sikre en mere ensartet blanding med sukkeret.
- Der afvejes en vis mængde filtreret sukker og erythritolpulver med et masseforhold på 20:1. Ryst for at blande dem jævnt.
- Fyld sukker / erythritolblandingen i en kommercielt opnået sukker / erythritolmetalform (se materialetabel). Tryk på overfladen for at gøre fyldstoffet kompakt.
BEMÆRK: For at sikre nem afskalning i næste trin kan et lag Al-folie placeres i formen før sukkeret/erythritol. - Formen opvarmes med sukker/erythritolblandingen i en varmluftsovn ved 135 °C i 2 timer som vist i figur 1A. Efter afkøling ved stuetemperatur tages klumppladen sukker ud (dvs. den porøse skabelon).
- Sukkeret filtreres med prøvesigter med åbninger på 270 μm og 500 μm. Vælg sukker med en partikeldiameter i området 270-500 μm.
- Fabriker det porøsitetskontrollerbare PDMS dielektriske lag.
- 5 g toluen, 5 g PDMS-base og 0,5 g PDMS-hærdningsmiddel (se materialetabel) afvejes i et centrifugerør (dvs. masseforholdet mellem PDMS-base/toluen/hærdemiddel er 10:10:1). Rør opløsningen jævnt.
BEMÆRK: Masseforholdet mellem PDMS-basisopløsning og hærdningsmiddel er fastsat til 10:1, mens masseforholdet mellem PDMS og toluen bruges til at kontrollere porøsiteten af PDMS-dielektriske lag. Porøsiteten falder, når PDMS-fraktionen øges. Den minimale porøsitet opnås, når der ikke tilsættes toluen. - Opløsningen centrifugeres ved 875 x g i 30 s ved stuetemperatur for at fjerne luftbobler.
BEMÆRK: Hvis opløsningens volumen er stor, kan opløsningen fremstilles i et bægerglas. Centrifugalbehandlingen erstattes af vakuumafgasning i 15 min. - Anbring den firkantede sukker/erythritol porøse skabelon opnået i trin 1.1.1 i en petriskål. Indsæt dobbeltklæbende tape som afstandsstykker under de fire hjørner for at løfte skabelonen fra petriskålens overflade.
BEMÆRK: Skabelonen kan også placeres på en Si-wafer, men denne metode vil føre til et tykkere lag PDMS på grænsefladen mellem skabelonen og Si-waferen, hvilket kan påvirke sensorens ydeevne. - Hæld PDMS/toluenopløsningen på skabelonen, og skrå petriskålen let, så opløsningen helt kan udfylde alle hullerne mellem sukkerpartiklerne, som vist i figur 1B.
- Plac petriskålen med PDMS/toluen opløsningsfyldt porøs skabelon i en vakuumekssikkator og afgas i 20 min.
- Overfør petriskålen fra vakuumekssikkatoren til ovnen ved 90 °C i 45 minutter for at fordampe toluen og hærde væsken PDMS.
- Nedsænk det hærdede PDMS, der er indlejret i den porøse skabelon, i deioniseret vand (DI-vand), som vist i figur 1C. Opvarm på en kogeplade ved 140 °C, indtil sukkerskabelonen er helt opløst. Rengør det porøse PDMS med DI-vand.
- 5 g toluen, 5 g PDMS-base og 0,5 g PDMS-hærdningsmiddel (se materialetabel) afvejes i et centrifugerør (dvs. masseforholdet mellem PDMS-base/toluen/hærdemiddel er 10:10:1). Rør opløsningen jævnt.
- Forbered sukker / erythritol porøs skabelon ved at følge nedenstående trin.
- Fremstilling af de fleksible elektrodelag baseret på ECPC'er
- Syntetiser ECPC-blækket.
- Der afvejes 0,16 g CNT (diameter: 10-20 nm, længde: 10-30 μm, se materialetabel) og 4 g toluen i et bægerglas og omrøres magnetisk ved 250 o/min i 1,5 timer. I mellemtiden afvejes 2 g PDMS-base og 2 g toluen i et bægerglas og omrøres magnetisk ved 200 o / min i 1 time. Bægerglasset dækkes med forseglingsfilm under omrøring for at forhindre fordampning af opløsningsmidlet.
- CNT-/toluensuspensionen blandes med PDMS-base-/toluenopløsningen, og bægerglasset dækkes med en forseglingsfilm. Rør magnetisk ved 250 o / min i 2 timer.
- Tilsæt 0,2 g PDMS-hærdningsmiddel i den blandede opløsning. Magnetisk omrøres ved 75 °C og 250 o/min i 1 time. Bægerglasset afdækkes for opløsningsmiddelfordampning og suspensionskoncentration under omrøring, som vist i figur 1D, E.
BEMÆRK: Varigheden af omrøring og opvarmning er justerbar. Viskositeten af blandingen øges under omrøring, hvilket letter den følgende skrabebelægningsoperation. Varigheden bør dog ikke være for lang for at forhindre PDMS-opløsningen i at hærde. Når blandingen koncentreres til en viskositet, der er praktisk til skrabebelægning, er ECPC's blæksynteseproces færdig.
- Skrab-belæg elektroderne ved at følge nedenstående trin.
- Toluen, PDMS-basen og PDMS-hærdningsmiddel afvejes i et centrifugerør med et masseforhold på 2:10:1. Rør opløsningen jævnt.
- Opløsningen centrifugeres ved 875 x g i 30 s ved stuetemperatur for at fjerne luftbobler.
- Der hældes 1,3 g PDMS/toluenopløsning i en kommercielt fremstillet elektrodemetalform (se materialetabel) med et præget elektrodemønster, som vist i figur 1F.
BEMÆRK: Det prægede mønster i bunden af formen er 0,2 mm tykt. - Anbring formen i en vakuumekssikkator, og afgas i 10 min.
- Hærd PDMS i formen på en kogeplade ved 90 °C i 15 min. Skræl den mønstrede PDMS-film af efter afkøling ved stuetemperatur.
- Fastgør den flade side af PDMS-filmen på en Si-skive (dvs. udsæt siden med elektrodemønsteret). Sørg for, at der ikke findes luftbobler mellem PDMS-filmen og Si-waferen.
- Skrabe-belæg ECPC-blækket, der er forberedt i trin 1.2.1, ind i elektrodemønsteret, som vist i figur 1G . Rengør det overskydende blæk med en støvfri aftørring med isopropylalkohol (IPA).
- Hærd ECPC-blækket på en varmeplade ved 90 °C i 15 minutter.
- Trin 1.2.2.3-1.2.2.8 gentages for at fremstille både det øverste og det nedre elektrodelag.
- Syntetiser ECPC-blækket.
- Limning og emballering af de bløde kapacitive sensorer
- Fastgør metaltråden (se materialetabellen) til elektroden. Drop sølvledende maling (se materialetabel) på forbindelsesstedet for at sikre god ledningsevne, som vist i figur 1H. Vent, indtil den sølvledende maling tørrer ved stuetemperatur.
- Den flydende PDMS-opløsning, der er fremstillet i trin 1.2.2.1, anbringes på tilslutningen for at forsegle den tørrede sølvledende maling fuldstændigt. Hærd PDMS på en kogeplade ved 90 °C i 15 min.
- Gentag trin 1.3.1-1.3.2 for at forbinde ledningen til både det øverste og nederste elektrodelag.
- Et tyndt lag flydende PDMS fremstillet i trin 1.2.2.1 påføres jævnt på elektrodefilmen som et vedhæftningslag til binding mellem elektrodelaget og det dielektriske lag.
- Det porøse dielektriske PDMS-lag, der er fremstillet i trin 1.1.2, anbringes på elektrodelaget.
- Hærd PDMS-limen på en kogeplade ved 95 °C i 10 min. Placer en petriskål af glas på det porøse PDMS for at sikre god kontakt mellem de to lag under opvarmning.
- Gentag trin 1.3.4 for det andet elektrodelag. Det bundne elektrodedielektriske lag opnået i trin 1.3.6 vendes, og det anbringes på det andet enkeltelektrodelag (dvs. for at få det porøse PDMS-lag i direkte kontakt med elektrodelaget). Sørg for, at de to elektroder er strengt justeret modsat hinanden.
- Gentag trin 1.3.6 for at afslutte bindingen mellem det porøse PDMS-lag og det andet elektrodelag.
BEMÆRK: En illustration af den endelige sensor er vist i figur 1I. Illustrationer af sensorens struktur og materialer er vist i figur 1J.
2. Eksperimentel proces med karakterisering af sensorens ydeevne
- Trinvis opsætning af trykbelastning og dataindsamlingssystem
- Brug en 3D-printet indenter med et lastareal, der er en cirkel på 2,5 cm i diameter til trykbelastningen (se materialetabellen) for den sensor, der testes.
- Fastgør indenteret på et lodret lineært bevægelsestrin, der styres af en trinmotor (se materialetabel) gennem en standard træktryksensor.
- Mål kapacitansen af den bløde kapacitive tryksensor med en LCR-måler, mens du registrerer standardtrykdataene ved hjælp af en DAQ-enhed (Data Acquisition). Tilslut både LCR-måleren og DAQ til en computer, der kører LabVIEW-datalogningsprogrammet (se materialetabellen).
BEMÆRK: Illustrationer af den eksperimentelle opsætning er vist i figur 2. En fjeder påføres mellem indenteren og standard træktryksensoren, som konverterer den lodrette forskydning af det lineære bevægelsestrin til belastningstryk.
- Test af sensorens ydeevne
- Kontroller trinmotoren for at få indenteren til at bevæge sig lodret ned med en programmeret afstand. Kapacitansen og standardtrykdataene registreres ved at øge belastningskraften med samme interval i hver på hinanden følgende belastningscyklus, indtil belastningstrykket når 40 N (~80 kPa).
- Kontroller trinmotoren for at få indenteren til at bevæge sig lodret op med samme afstand som i det sidste trin. Kapacitansen og standardtrykdataene registreres, efter at indenteret er stabiliseret. Gentag operationen ved at reducere belastningskraften med samme interval; i hver på hinanden følgende belastningscyklus falder belastningstrykket til 0 N.
- Kontroller trinmotoren for at få indenteren til at bevæge sig lodret ned med en programmeret afstand. Registrer kapacitansen og standardtrykdataene. På- og aflæsningsprøvningerne gentages i 2 500 cyklusser, mens kapacitansen for den undersøgte anordning (DUT) registreres som funktion af standardtrykaflæsningen.
- Kontroller indrykkeren til at trykke hurtigt ned og forblive stabil i et par sekunder, før du vender tilbage til 0 N-belastning. Gentag dette fem gange, og registrer kapacitansen som en funktion af tiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fotografiet af den porøse skabelon for klumpet sukker/erythritol er vist i figur 3A. Figur 3B viser det fleksible elektrodelag med et skrabelagt ECPC-mønster. Figur 3C viser den bløde kapacitive tryksensor med et porøst dielektrisk lag fremstillet med den foreslåede metode. Fire porøse PDMS dielektriske lag blev fremstillet baseret på PDMS / toluenopløsninger med forskellige masseforhold på henholdsvis 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1. Optiske mikroskopbilleder, der viser poremorfologierne for de forskellige strukturer, er vist i figur 3D. Det blev konstateret, at porevægtykkelsen steg med et stigende masseforhold mellem PDMS / toluenopløsningen.
For at verificere afhængigheden af de mekaniske egenskaber på porøsiteten blev der udført en endelig elementanalyse (FEA) for at simulere trykket udviklet i det porøse PDMS dielektriske lag som en funktion af trykbelastningen ved hjælp af avanceret numerisk modelleringssoftware (se materialetabel). En 3D-model af den porøse PDMS med åbne porer blev skabt med en længde på 2 mm på z-aksen. Placeringen af porerne blev fastgjort, mens diametrene blev ændret for at opnå forskellige porøsiteter. Et stigende tryk blev anvendt i z-aksen, mens periodiske og symmetriske grænsebetingelser blev anvendt i x-aksen og y-aksen. Simuleringsresultatet i figur 4A viser, at en højere porøsitet bidrog til en større trykbelastning med forbedret linearitet under det samme påførte kompressionstryk. Figur 4B,C viser kapacitans-trykresponskurven for sensorerne med porøse PDMS dielektriske lag med forskellige PDMS / toluen-masseforhold. I trykbelastningsområdet 0-10 kPa udviste sensoren med et 1:1 PDMS/toluen-masseforhold den højeste følsomhed på 3,47 % kPa-1, hvilket var mere end to gange højere end sensorens med 8:1 PDMS/toluen-masseforholdet (1,48 % kPa-1). Efterhånden som trykket steg, blev porerne i det dielektriske lag gradvist reduceret i størrelse, hvilket førte til et fald i følsomheden, indtil det nåede det samme niveau på 0,66% -0,89% kPa-1 for alle porøsiteter, som vist i figur 4C. Figur 4D viser den kapacitive reaktion på fem på hinanden følgende belastnings-, aflæsningsprøvninger under samme belastningstryk på ca. 10 kPa. Responstiden for belastning (dvs. den tid, der kræves for sensorkapacitansen at nå 90% af dens steady-state-værdi) blev bestemt til at være ca. 0,2 s, som vist i figur 4E. Som vist i figur 4F afslørede de cykliske tests også, at den as-fabrikerede bløde kapacitive sensor havde fremragende repeterbarhed efter 2.500 cyklusser.
Figur 1: Skematisk oversigt over fremstillingsprocessen. (A-C) Fabrikationsstrømmen af det porøse PDMS dielektriske lag. (D,E) Forberedelsen af ECPC-blækket. (F,G) Skrabebelægningsprocessen af elektrodelaget. (H,I) Ledningsforbindelsen og bindingsprocessen for den bløde kapacitive tryksensor med den elektrode-porøse dielektriske lag-elektrode sandwichstruktur. (J) Illustrationer af sensorens struktur og materialer. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Eksperimentel opsætning . (A) Trinvis opsætning af trykbelastning. (B) System til dataindsamling. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Sensorstrukturer . (A) Foto af sukker/erythritolskabelonen. (B) Det fleksible elektrodelag med det skrabelagte ECPC-mønster. (C) Fotografi af den bløde kapacitive tryksensor med det porøse dielektriske lag. (D) Optiske mikroskopbilleder af de porøse PDMS dielektriske lag fremstillet med forskellige PDMS / toluen masseforhold (PDMS base: toluen = 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Simulerings- og karakteriseringsresultat. (A) Simuleret spændingsbelastningskurve for de porøse PDMS-lag med forskellige porøsiteter under lavtryksbelastninger. (B,C) Tryk-responskurve for de kapacitive tryksensorer fremstillet med PDMS/toluenopløsninger med forskellige 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 for den porøse kapacitive tryksensor (2.500 belastningscyklusser). Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette arbejde foreslår en simpel metode baseret på opløsningsmiddelfordampning til kontrol af porøsiteten, og en række eksperimentelle resultater har vist sig gennemførlige. Selvom den porøse struktur er blevet brugt i vid udstrækning i den fleksible kapacitive tryksensor, har porøsitetskontrollen stadig brug for yderligere optimering. I modsætning til eksisterende metoder til ændring af partikelstørrelsen af PFA 11,12,13,18,19 og forholdet mellem polymersubstrat og PFA 17,20, ændrer vi koncentrationen af polymersubstratopløsningen, samtidig med at størrelsen af PFA (dvs. sukker) holdes ensartet. Som følge heraf ændres porevæggens tykkelse, mens porefordelingen holder, hvilket betyder, at porøsiteten kan styres af opløsningskoncentrationen.
Det mest kritiske trin for porøsitetskontrollen er at forberede PDMS/toluenopløsningen. Masseforholdene for PDMS / toluenopløsningen blev valgt som henholdsvis 1: 1, 3: 1, 5: 1 og 8: 1 for at fremstille dielektriske lag med forskellige porøsiteter. Det blev eksperimentelt bekræftet, at faldet i masseforholdet førte til højere porøsitet og øget følsomhed i lavtryksområdet.
Opvarmning af sukker / erythritolblandingen for at fremstille den porøse skabelon er også et kritisk, innovativt trin. Forskellig fra eksisterende metoder til opvarmning af rent sukker 21,22, tilsætning af vand23 og anvendelse af tryk24 blev smeltepunktsforskellen mellem disse to PFA-komponenter brugt til at fremstille den porøse skabelon. I denne protokol er opvarmningstemperaturen højere end smeltepunktet for erythritol og lavere end smeltepunktet for sukker. Således smelter erythritolpulveret gradvist under opvarmningsprocessen og binder de faste sukkerpartikler til en pladesukkerklump. Masseforholdet mellem sukker og erythritol viste sig også at være afgørende for succesen med dette trin. En højere brøkdel af erythritol vil fylde hullet mellem sukkerpartiklerne, mens en lavere fraktion vil føre til en fejl i bindingen.
Der findes dog nogle begrænsninger i den enhed, der er fremstillet ved denne metode. Når belastningstrykket stiger, lukker porerne i det dielektriske lag gradvist, og porevæggene kommer i kontakt med hinanden, hvilket resulterer i en mere solid PDMS-lignende mekanisk egenskab. Dette fænomen forklarer følsomhedens uafhængighed af porøsitet, som blev fundet i det højere trykområde over 40 kPa for vores sensor. Det er også værd at bemærke, at sensoren lavet med et 8: 1 PDMS base / toluen masseforhold viste en signifikant højere følsomhed på 3,78% kPa-1 sammenlignet med andre sensorer under 5 kPa, hvilket kan tilskrives en kobling af de mekaniske og elektriske egenskaber induceret af den porøse struktur.
Den forskning, der foreslås i dette arbejde, muliggør en billig og nem fremstillingsmetode af porøse kapacitive tryksensorer med justerbare sensorparametre, som har brede anvendelsesmuligheder inden for blød robotik, haptiske grænseflader osv. I fremtiden kan fuldt integrerede bioniske bløde robotgribere med bløde sensoriske mekanoreceptorer af justerbare sensorparametre undersøges yderligere baseret på denne metode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af 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).
