Summary
सॉल्वेंट वाष्पीकरण तकनीक पर आधारित एक सरल और लागत कुशल निर्माण विधि एक नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर के प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए प्रस्तुत की जाती है, जो मोल्डिंग पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान के विभिन्न द्रव्यमान अनुपातों का उपयोग करके ढांकता हुआ परत में छिद्र नियंत्रण द्वारा सक्षम है।
Abstract
नरम दबाव सेंसर नरम रोबोटिक्स और हैप्टिक इंटरफेस में "मैन-मशीन" स्पर्श संवेदना विकसित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। विशेष रूप से, माइक्रो-संरचित बहुलक मैट्रिक्स के साथ कैपेसिटिव सेंसर को उनकी उच्च संवेदनशीलता, व्यापक रैखिकता सीमा और तेज प्रतिक्रिया समय के कारण काफी प्रयास के साथ खोजा गया है। हालांकि, संवेदन प्रदर्शन में सुधार अक्सर ढांकता हुआ परत के संरचनात्मक डिजाइन पर निर्भर करता है, जिसके लिए परिष्कृत माइक्रोफैब्रिकेशन सुविधाओं की आवश्यकता होती है। यह लेख छिद्र को ट्यून करने के लिए विलायक वाष्पीकरण-आधारित विधि का उपयोग करके बेहतर संवेदनशीलता के साथ छिद्रपूर्ण कैपेसिटिव दबाव सेंसर बनाने के लिए एक सरल और कम लागत वाली विधि की रिपोर्ट करता है। सेंसर में लोचदार प्रवाहकीय बहुलक कंपोजिट (ईसीपीसी) से बने शीर्ष और निचले इलेक्ट्रोड के साथ बंधे एक छिद्रपूर्ण पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) ढांकता हुआ परत होती है। इलेक्ट्रोड को स्क्रैप-कोटिंग कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) -मिश्रित पीडीएमएस प्रवाहकीय घोल द्वारा मोल्ड-पैटर्न पीडीएमएस फिल्मों में तैयार किया गया था। बढ़े हुए संवेदन प्रदर्शन के लिए ढांकता हुआ परत की सरंध्रता को अनुकूलित करने के लिए, पीडीएमएस समाधान को चीनी छिद्र बनाने वाले एजेंट (पीएफए) को विभिन्न आकारों में फ़िल्टर करने या पीसने के बजाय विभिन्न द्रव्यमान अंशों के टोल्यूनि से पतला किया गया था। टोल्यूनि विलायक के वाष्पीकरण ने नियंत्रणीय छिद्रों के साथ एक छिद्रपूर्ण ढांकता हुआ परत के तेजी से निर्माण की अनुमति दी। यह पुष्टि की गई कि टोल्यूनि से पीडीएमएस अनुपात को 1: 8 से 1: 1 तक बढ़ाने पर संवेदनशीलता को दो गुना बढ़ाया जा सकता है। इस काम में प्रस्तावित शोध पूरी तरह से एकीकृत बायोनिक सॉफ्ट रोबोटिक ग्रिपर्स को बनाने की कम लागत वाली विधि को सक्षम बनाता है, जिसमें टेबल सेंसर मापदंडों के नरम संवेदी मेकेनोसेप्टर्स होते हैं।
Introduction
हाल के वर्षों में, लचीले दबाव सेंसर नरम रोबोटिक्स 1,2,3, "मैन-मशीन" हैप्टिक इंटरफेस4,5, और स्वास्थ्य निगरानी 6,7,8 में उनके अपरिहार्य अनुप्रयोग के कारण ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। आम तौर पर, दबाव संवेदन के तंत्र में पीजोरेजिस्टिव 1,4,7, पीजोइलेक्ट्रिक 2,6, कैपेसिटिव 2,3,9,10,11,12,13 और ट्राइबोइलेक्ट्रिक 8 शामिल हैं। सेंसर। उनमें से, कैपेसिटिव प्रेशर सेंसर उनकी उच्च संवेदनशीलता, पहचान की कम सीमा (एलओडी) आदि के कारण स्पर्श संवेदन में सबसे आशाजनक तरीकों में से एक के रूप में खड़े हैं।
बेहतर संवेदन प्रदर्शन के लिए, माइक्रो-पिरामिड 2,9,14, माइक्रो-पिलर 15, और माइक्रो-पोर्स 9,10,11,12,13,16,17 जैसे विभिन्न माइक्रोस्ट्रक्चर को लचीले कैपेसिटिव प्रेशर सेंसर में पेश किया गया है, और सेंसिंग को और बेहतर बनाने के लिए निर्माण विधियों को भी अनुकूलित किया गया है। ऐसी संरचनाओं का प्रदर्शन। हालांकि, इनमें से अधिकांश संरचनाओं को परिष्कृत माइक्रोफैब्रिकेशन सुविधाओं की आवश्यकता होती है, जो विनिर्माण लागत और परिचालन कठिनाइयों को काफी बढ़ाती है। उदाहरण के लिए, नरम दबाव सेंसर में सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले माइक्रोस्ट्रक्चर के रूप में, माइक्रो-पिरामिड मोल्डिंग टेम्पलेट के रूप में लिथोग्राफिक रूप से परिभाषित और गीले-अंकित एसआई वेफर्स पर भरोसा करते हैं, जिसके लिए सटीक उपकरण और सख्त क्लीनरूम वातावरणकी आवश्यकता होती है। इसलिए, सूक्ष्म छिद्र संरचनाएं (छिद्रपूर्ण संरचनाएं) जो सरल निर्माण प्रक्रियाओं द्वारा और उच्च संवेदन प्रदर्शन को बनाए रखते हुए कम लागत वाले कच्चे माल के साथ बनाई जा सकती हैं, ने हाल ही में 9,10,11,12,13,16,17 का ध्यान आकर्षित किया है।. इस पर चर्चा की जाएगी, पीएफए और इसकी मात्रा को बदलने के नुकसान के साथ, हमारे अंश नियंत्रण विधि का उपयोग करने के लिए प्रेरणा के रूप में।
यहां, यह काम विलायक-वाष्पीकरण तकनीक पर आधारित एक सरल और कम लागत वाली विधि का प्रस्ताव करता है ताकि नियंत्रणीय छिद्र के साथ एक छिद्रपूर्ण लचीला कैपेसिटिव दबाव सेंसर बनाया जा सके। पूर्ण विनिर्माण प्रक्रिया में छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत का निर्माण, इलेक्ट्रोड की स्क्रैप कोटिंग और तीन कार्यात्मक परतों का बंधन शामिल है। विशेष रूप से, यह काम चीनी / एरिथ्रिटोल मिश्रण टेम्पलेट के आधार पर छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत बनाने के लिए एक निश्चित द्रव्यमान अनुपात के साथ पीडीएमएस / टोल्यूनि मिश्रित समाधान का अभिनव रूप से उपयोग करता है। इस बीच, एक समान पीएफए कण आकार समान छिद्र आकृति विज्ञान और वितरण सुनिश्चित करता है; इस प्रकार, पीडीएमएस / टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात को बदलकर सरंध्रता को नियंत्रित किया जा सकता है। प्रयोगात्मक परिणामों से पता चलता है कि प्रस्तावित दबाव सेंसर की संवेदनशीलता को पीडीएमएस / टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात को 1: 8 से 1: 1 तक बढ़ाकर दो गुना से अधिक बढ़ाया जा सकता है। टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात के कारण माइक्रोप्रोम दीवार मोटाई में भिन्नता की पुष्टि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवियों द्वारा भी की जाती है। अनुकूलित सॉफ्ट कैपेसिटिव प्रेशर सेंसर क्रमशः 3.47% केपीए -1 और 0.2 एस की संवेदनशीलता और प्रतिक्रिया समय के साथ एक उच्च संवेदन प्रदर्शन दिखाता है। यह विधि नियंत्रणीय छिद्र के साथ एक छिद्रपूर्ण ढांकता हुआ परत के तेज, कम लागत और आसान संचालन निर्माण को प्राप्त करती है।
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Protocol
1. एक छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत के साथ नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर का निर्माण
- छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत का निर्माण
- नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए चीनी / एरिथ्रिटोल छिद्रपूर्ण टेम्पलेट तैयार करें।
- 270 μm और 500 μm के एपर्चर के साथ नमूना छलनी के साथ चीनी को छान लें। 270-500 μm की सीमा में एक कण व्यास के साथ चीनी चुनें।
नोट: एक बड़ा या छोटा चीनी कण आकार भी स्वीकार्य है जब तक कि एकरूपता सहिष्णुता सीमा के भीतर है। चीनी कण का व्यास बाद के चरण में निर्मित छिद्रपूर्ण पीडीएमएस परत के छिद्र आकार को प्रभावित करेगा लेकिन छिद्र आकार को पूरी तरह से निर्धारित नहीं करेगा। - चीनी के साथ अधिक समान मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए एरिथ्रिटोल ( सामग्री की तालिका देखें) को पाउडर में पीस लें।
- 20: 1 के द्रव्यमान अनुपात के साथ फ़िल्टर की गई चीनी और एरिथ्रिटोल पाउडर की एक निश्चित मात्रा का वजन करें। उन्हें समान रूप से मिलाने के लिए हिलाएं।
- चीनी / एरिथ्रिटोल मिश्रण को व्यावसायिक रूप से प्राप्त चीनी / एरिथ्रिटोल धातु मोल्ड में भरें ( सामग्री की तालिका देखें)। भराव को कॉम्पैक्ट बनाने के लिए सतह दबाएं।
नोट: अगले चरण में आसान डिमोल्डिंग सुनिश्चित करने के लिए, अल पन्नी की एक परत को चीनी / एरिथ्रिटोल से पहले मोल्ड में रखा जा सकता है। - चित्र 1A में दिखाए अनुसार, संवहन ओवन में 135 °C पर 2 घंटे के लिए चीनी/एरिथ्रिटोल मिश्रण के साथ मोल्ड को गर्म करें। कमरे के तापमान पर ठंडा होने के बाद, गांठ प्लेट चीनी (यानी, छिद्रपूर्ण टेम्पलेट) को बाहर निकालें।
- 270 μm और 500 μm के एपर्चर के साथ नमूना छलनी के साथ चीनी को छान लें। 270-500 μm की सीमा में एक कण व्यास के साथ चीनी चुनें।
- सरंध्रता-नियंत्रणीय पीडीएमएस ढांकता हुआ परत बनाएं।
- एक सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में 5 ग्राम टोल्यूनि, 5 ग्राम पीडीएमएस बेस, और 0.5 ग्राम पीडीएमएस इलाज एजेंट ( सामग्री की तालिका देखें) का वजन करें (यानी, पीडीएमएस बेस / टोल्यूनि / इलाज एजेंट का द्रव्यमान अनुपात 10: 10: 1 है)। घोल को समान रूप से हिलाएं।
नोट: इलाज एजेंट के लिए पीडीएमएस बेस समाधान का द्रव्यमान अनुपात 10: 1 पर तय किया गया है, जबकि पीडीएमएस से टोल्यूनि के द्रव्यमान अनुपात का उपयोग पीडीएमएस ढांकता हुआ परत की छिद्रता को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। पीडीएमएस अंश को बढ़ाते समय सरंध्रता कम हो जाती है। न्यूनतम छिद्र तब प्राप्त होता है जब कोई टोल्यूनि नहीं जोड़ा जाता है। - हवा के बुलबुले को हटाने के लिए कमरे के तापमान पर 30 सेकंड के लिए 875 x g पर घोल को सेंट्रीफ्यूज करें।
नोट: यदि समाधान की मात्रा बड़ी है, तो समाधान बीकर में तैयार किया जा सकता है। केन्द्रापसारक उपचार को 15 मिनट के लिए वैक्यूम डिगैसिंग द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। - चरण 1.1.1 में प्राप्त स्क्वायर शुगर/एरिथ्रिटोल छिद्रपूर्ण टेम्पलेट को पेट्री डिश में रखें। पेट्री डिश सतह से टेम्पलेट को उठाने के लिए चार कोनों के नीचे स्पेसर के रूप में डबल-साइडेड टेप डालें।
नोट: टेम्प्लेट को एसआई वेफर पर भी रखा जा सकता है, लेकिन इस विधि से टेम्पलेट और एसआई वेफर के बीच इंटरफ़ेस पर पीडीएमएस की एक मोटी परत होगी, जो सेंसर प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है। - टोल्यूनि समाधान को टेम्पलेट पर डालें, और पेट्री डिश को थोड़ा इनलाइन करें ताकि समाधान चीनी कणों के बीच सभी अंतराल को पूरी तरह से भर सके, जैसा कि चित्र 1 बी में दिखाया गया है।
- टोल्यूनि समाधान से भरे छिद्रपूर्ण टेम्पलेट के साथ पेट्री डिश को वैक्यूम डेसिकेटर में रखें, और 20 मिनट के लिए डेगास करें।
- टोल्यूनि को वाष्पित करने और तरल पीडीएमएस को ठीक करने के लिए 45 मिनट के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर वैक्यूम डेसिकेटर से पेट्री डिश को ओवन में स्थानांतरित करें।
- छिद्रपूर्ण टेम्पलेट में एम्बेडेड ठीक किए गए पीडीएमएस को विआयनीकृत पानी (डीआई पानी) में डुबोएं, जैसा कि चित्र 1 सी में दिखाया गया है। एक गर्म प्लेट पर 140 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करें जब तक कि चीनी टेम्पलेट पूरी तरह से घुल न जाए। डीआई पानी के साथ छिद्रपूर्ण पीडीएमएस को साफ करें।
- एक सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में 5 ग्राम टोल्यूनि, 5 ग्राम पीडीएमएस बेस, और 0.5 ग्राम पीडीएमएस इलाज एजेंट ( सामग्री की तालिका देखें) का वजन करें (यानी, पीडीएमएस बेस / टोल्यूनि / इलाज एजेंट का द्रव्यमान अनुपात 10: 10: 1 है)। घोल को समान रूप से हिलाएं।
- नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए चीनी / एरिथ्रिटोल छिद्रपूर्ण टेम्पलेट तैयार करें।
- ईसीपीसी पर आधारित लचीली इलेक्ट्रोड परतों का निर्माण।
- ईसीपीसी स्याही को संश्लेषित करें।
- सीएनटी के 0.16 ग्राम वजन (व्यास: 10-20 एनएम, लंबाई: 10-30 μm, सामग्री की तालिका देखें) और एक बीकर में 4 ग्राम टोल्यूनि, और 1.5 घंटे के लिए 250 आरपीएम पर चुंबकीय रूप से हिलाएं। इस बीच, एक बीकर में 2 ग्राम पीडीएमएस बेस और 2 ग्राम टोल्यूनि का वजन करें, और 1 घंटे के लिए 200 आरपीएम पर चुंबकीय रूप से हिलाएं। विलायक वाष्पीकरण को रोकने के लिए हिलाते समय बीकर को सीलिंग फिल्म के साथ कवर करें।
- टोल्यूनि सस्पेंशन को पीडीएमएस बेस / टोल्यूनि समाधान के साथ मिलाएं, और बीकर को सीलिंग फिल्म के साथ कवर करें। 2 घंटे के लिए 250 आरपीएम पर चुंबकीय रूप से हिलाएं।
- मिश्रित समाधान में 0.2 ग्राम पीडीएमएस इलाज एजेंट जोड़ें। 1 घंटे के लिए 75 डिग्री सेल्सियस और 250 आरपीएम पर चुंबकीय रूप से हिलाएं। हिलाते समय विलायक वाष्पीकरण और निलंबन एकाग्रता के लिए बीकर को उजागर करें, जैसा कि चित्र 1 डी, ई में दिखाया गया है।
नोट: हिलाने और हीटिंग की अवधि समायोज्य है। मिश्रण की चिपचिपाहट सरगर्मी के समय के साथ बढ़ जाती है, जो निम्नलिखित स्क्रैप कोटिंग ऑपरेशन की सुविधा प्रदान करती है। हालांकि, पीडीएमएस समाधान को ठीक होने से रोकने के लिए अवधि बहुत लंबी नहीं होनी चाहिए। जब मिश्रण को स्क्रैप कोटिंग के लिए सुविधाजनक चिपचिपाहट में केंद्रित किया जाता है, तो ईसीपीसी स्याही संश्लेषण प्रक्रिया समाप्त हो जाती है।
- नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए इलेक्ट्रोड को स्क्रैप-कोट करें।
- 2: 10: 1 के द्रव्यमान अनुपात के साथ सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में टोल्यूनि, पीडीएमएस बेस और पीडीएमएस इलाज एजेंट का वजन करें। घोल को समान रूप से हिलाएं।
- हवा के बुलबुले को हटाने के लिए कमरे के तापमान पर 30 सेकंड के लिए 875 x g पर घोल को सेंट्रीफ्यूज करें।
- टोल्यूनि समाधान के 1.3 ग्राम को व्यावसायिक रूप से प्राप्त इलेक्ट्रोड धातु मोल्ड ( सामग्री की तालिका देखें) में एक उभरे हुए इलेक्ट्रोड पैटर्न के साथ डालें, जैसा कि चित्र 1 एफ में दिखाया गया है।
नोट: मोल्ड के तल पर उभरा हुआ पैटर्न 0.2 मिमी मोटा है। - मोल्ड को वैक्यूम डेसिकेटर में रखें, और 10 मिनट के लिए डेगास करें।
- 15 मिनट के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर गर्म प्लेट पर मोल्ड में पीडीएमएस का इलाज करें। कमरे के तापमान पर ठंडा होने के बाद पैटर्न वाली पीडीएमएस फिल्म को छील लें।
- पीडीएमएस फिल्म के सपाट पक्ष को सी वेफर पर संलग्न करें (यानी, इलेक्ट्रोड पैटर्न के साथ साइड को उजागर करें)। सुनिश्चित करें कि पीडीएमएस फिल्म और सी वेफर के बीच कोई हवा बुलबुले मौजूद नहीं हैं।
- चरण 1.2.1 में तैयार ईसीपीसी स्याही को इलेक्ट्रोड पैटर्न में स्क्रैप-कोट करें, जैसा कि चित्र 1 जी दिखाता है। अत्यधिक स्याही को आइसोप्रोपिल अल्कोहल (आईपीए) -डूबी हुई धूल-मुक्त पोंछे से साफ करें।
- 15 मिनट के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर गर्म प्लेट पर ईसीपीसी स्याही का इलाज करें।
- ऊपरी और निचले इलेक्ट्रोड परतों के निर्माण के लिए चरण 1.2.2.3-1.2.2.8 दोहराएं।
- ईसीपीसी स्याही को संश्लेषित करें।
- नरम कैपेसिटिव सेंसर की बॉन्डिंग और पैकेजिंग
- इलेक्ट्रोड में धातु के तार ( सामग्री की तालिका देखें) संलग्न करें। अच्छी चालकता सुनिश्चित करने के लिए कनेक्शन स्थान पर चांदी प्रवाहकीय पेंट ( सामग्री की तालिका देखें) गिराएं, जैसा कि चित्र 1 एच में दिखाया गया है। कमरे के तापमान पर चांदी प्रवाहकीय पेंट सूखने तक प्रतीक्षा करें।
- सूखे चांदी प्रवाहकीय पेंट को पूरी तरह से सील करने के लिए चरण 1.2.2.1 में तैयार तरल पीडीएमएस समाधान को कनेक्शन पर छोड़ दें। 15 मिनट के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर गर्म प्लेट पर पीडीएमएस का इलाज करें।
- ऊपरी और निचले इलेक्ट्रोड परतों दोनों के लिए तार को जोड़ने के लिए चरण 1.3.1-1.3.2 दोहराएं।
- इलेक्ट्रोड परत और ढांकता हुआ परत के बीच संबंध के लिए एक आसंजन परत के रूप में इलेक्ट्रोड फिल्म पर समान रूप से चरण 1.2.2.1 में तैयार तरल पीडीएमएस की एक पतली परत लागू करें।
- इलेक्ट्रोड परत पर चरण 1.1.2 में निर्मित छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत रखें।
- 10 मिनट के लिए 95 डिग्री सेल्सियस पर गर्म प्लेट पर पीडीएमएस गोंद का इलाज करें। हीटिंग के दौरान दो परतों के बीच अच्छा संपर्क सुनिश्चित करने के लिए छिद्रपूर्ण पीडीएमएस पर एक ग्लास पेट्री डिश रखें।
- अन्य इलेक्ट्रोड परत के लिए चरण 1.3.4 दोहराएं। चरण 1.3.6 में प्राप्त बंधुआ इलेक्ट्रोड-ढांकता हुआ परत को उलट दें, और इसे अन्य एकल इलेक्ट्रोड परत पर रखें (यानी, इलेक्ट्रोड परत के सीधे संपर्क में छिद्रपूर्ण पीडीएमएस परत होना)। सुनिश्चित करें कि दो इलेक्ट्रोड सख्ती से एक दूसरे के विपरीत संरेखित हैं।
- छिद्रपूर्ण पीडीएमएस परत और अन्य इलेक्ट्रोड परत के बीच संबंध को समाप्त करने के लिए चरण 1.3.6 दोहराएं।
नोट: अंतिम सेंसर का एक चित्रण चित्रा 1 I में दिखाया गया है। सेंसर की संरचना और सामग्री के चित्र चित्र 1 जे में दिखाए गए हैं।
2. सेंसर प्रदर्शन लक्षण वर्णन की प्रयोगात्मक प्रक्रिया
- स्टेपिंग प्रेशर लोडिंग सेटअप और डेटा अधिग्रहण प्रणाली।
- परीक्षण के तहत सेंसर के दबाव लोडिंग ( सामग्री की तालिका देखें) के लिए लोडिंग क्षेत्र के साथ एक 3 डी-मुद्रित इंडेंटर का उपयोग करें जो व्यास में 2.5 सेमी का एक सर्कल है।
- मानक पुल-दबाव सेंसर के माध्यम से स्टेपिंग मोटर ( सामग्री की तालिका देखें) द्वारा नियंत्रित ऊर्ध्वाधर रैखिक चलती चरण पर इंडेंटर को ठीक करें।
- डेटा अधिग्रहण (डीएक्यू) डिवाइस का उपयोग करके मानक दबाव डेटा रिकॉर्ड करते समय एलसीआर मीटर के साथ नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर की धारिता को मापें। LCR मीटर और DAQ दोनों को LabVIEW डेटा-लॉगिंग प्रोग्राम चलाने वाले कंप्यूटर से कनेक्ट करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
नोट: प्रयोगात्मक सेटअप के चित्र चित्र 2 में दिखाए गए हैं। इंडेंटर और मानक पुल-प्रेशर सेंसर के बीच एक स्प्रिंग लागू किया जाता है, जो रैखिक चलती चरण के ऊर्ध्वाधर विस्थापन को लोडिंग दबाव में परिवर्तित करता है।
- संवेदन प्रदर्शन का परीक्षण
- इंडेंटर को प्रोग्राम की गई दूरी से लंबवत रूप से नीचे ले जाने के लिए स्टेपिंग मोटर को नियंत्रित करें। प्रत्येक लगातार लोडिंग चक्र में समान अंतराल के साथ लोडिंग बल बढ़ाकर धारिता और मानक दबाव डेटा रिकॉर्ड करें जब तक कि लोडिंग दबाव 40 एन (~ 80 केपीए) तक न पहुंच जाए।
- इंडेंटर को पिछले चरण के समान दूरी से लंबवत रूप से ऊपर ले जाने के लिए स्टेपिंग मोटर को नियंत्रित करें। इंडेंटर के स्थिर होने के बाद धारिता और मानक दबाव डेटा रिकॉर्ड करें। एक ही अंतराल के साथ लोडिंग बल को कम करके ऑपरेशन को दोहराएं; प्रत्येक लगातार लोडिंग चक्र में, लोडिंग दबाव 0 एन तक गिर जाता है।
- इंडेंटर को प्रोग्राम की गई दूरी से लंबवत रूप से नीचे ले जाने के लिए स्टेपिंग मोटर को नियंत्रित करें। धारिता और मानक दबाव डेटा रिकॉर्ड करें। मानक दबाव रीडिंग के एक फ़ंक्शन के रूप में परीक्षण के तहत डिवाइस (डीयूटी) की धारिता को रिकॉर्ड करते समय 2,500 चक्रों के लिए लोडिंग और अनलोडिंग परीक्षणों को दोहराएं।
- इंडेंटर को तेजी से दबाने के लिए नियंत्रित करें और 0 एन लोडिंग पर लौटने से पहले कुछ सेकंड के लिए स्थिर रहें। इसे पांच बार दोहराएं, और समय के कार्य के रूप में धारिता रिकॉर्ड करें।
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Representative Results
एरिथ्रिटोल छिद्रपूर्ण टेम्पलेट की तस्वीर चित्र 3 ए में दिखाई गई है। चित्रा 3 बी एक स्क्रैप-लेपित ईसीपीसी पैटर्न के साथ लचीली इलेक्ट्रोड परत दिखाता है। चित्रा 3 सी प्रस्तावित विधि के साथ निर्मित एक छिद्रपूर्ण ढांकता हुआ परत के साथ नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर दिखाता है। टोल्यूनि समाधानों के आधार पर चार छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परतें क्रमशः 1: 1, 3: 1, 5: 1 और 8: 1 के विभिन्न द्रव्यमान अनुपात के साथ बनाई गई थीं। विभिन्न संरचनाओं के छिद्र आकृति विज्ञान को दिखाने वाले ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप चित्र चित्र 3 डी में प्रस्तुत किए गए हैं। यह पाया गया कि पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान के बढ़ते द्रव्यमान अनुपात के साथ छिद्र दीवार की मोटाई बढ़ गई।
सरंध्रता पर यांत्रिक गुणों की निर्भरता को सत्यापित करने के लिए, उन्नत संख्यात्मक मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके संपीड़ित तनाव के कार्य के रूप में छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत में विकसित दबाव का अनुकरण करने के लिए एक परिमित तत्व विश्लेषण (एफईए) किया गया था (सामग्री की तालिका देखें)। खुले छिद्रों के साथ छिद्रपूर्ण पीडीएमएस का एक 3 डी मॉडल बनाया गया था, जिसमें जेड-अक्ष पर 2 मिमी की लंबाई थी। छिद्रों का स्थान तय किया गया था, जबकि विभिन्न छिद्रों को प्राप्त करने के लिए व्यास को बदल दिया गया था। जेड-अक्ष में एक बढ़ता दबाव लागू किया गया था, जबकि एक्स-अक्ष और वाई-अक्ष में आवधिक और सममित सीमा की स्थिति लागू की गई थी। चित्रा 4 ए में सिमुलेशन परिणाम से पता चलता है कि एक उच्च छिद्र ने एक ही लागू संपीड़न दबाव के तहत बेहतर रैखिकता के साथ एक बड़े संपीड़ित तनाव में योगदान दिया। चित्रा 4 बी, सी विभिन्न पीडीएमएस / टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात के साथ छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परतों के साथ सेंसर की धारिता-दबाव प्रतिक्रिया वक्र को दर्शाता है। 0-10 kPa की दबाव लोडिंग रेंज में, 1: 1 PDMS / टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात वाले सेंसर ने 3.47% kPa-1 की उच्चतम संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया, जो 8: 1 PDMS / toluine द्रव्यमान अनुपात (1.48% kPa-1) के साथ सेंसर की तुलना में दो गुना अधिक था। जैसे-जैसे दबाव बढ़ता गया, ढांकता हुआ परत में छिद्र धीरे-धीरे आकार में कम हो गए, जिससे संवेदनशीलता में कमी आई जब तक कि यह सभी छिद्रों के लिए 0.66% -0.89% केपीए -1 के समान स्तर तक नहीं पहुंच गया, जैसा कि चित्रा 4 सी में दिखाया गया है। चित्रा 4 डी लगभग 10 केपीए के समान लोडिंग दबाव के तहत लगातार पांच लोडिंग-अनलोडिंग परीक्षणों के लिए कैपेसिटिव प्रतिक्रिया दिखाता है। लोडिंग का प्रतिक्रिया समय (यानी, सेंसर धारिता को इसके स्थिर-राज्य मूल्य के 90% तक पहुंचने के लिए आवश्यक समय) लगभग 0.2 सेकंड निर्धारित किया गया था, जैसा कि चित्रा 4 ई में दिखाया गया है। इसके अलावा, जैसा कि चित्रा 4 एफ में दिखाया गया है, चक्रीय परीक्षणों से यह भी पता चला है कि 2,500 चक्रों के बाद निर्मित सॉफ्ट कैपेसिटिव सेंसर में उत्कृष्ट पुनरावृत्ति थी।
चित्र 1: निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध। (ए-सी) छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परत का निर्माण प्रवाह। (D, E) ईसीपीसी स्याही की तैयारी। (F, G) इलेक्ट्रोड परत की खुरच-कोटिंग प्रक्रिया। (एच, आई) इलेक्ट्रोड-छिद्रपूर्ण ढांकता हुआ परत-इलेक्ट्रोड सैंडविच संरचना के साथ नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर की तार कनेक्शन और बंधन प्रक्रिया। (जे) सेंसर की संरचना और सामग्री के चित्र। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 2: प्रायोगिक सेटअप । (ए) स्टेपिंग प्रेशर लोडिंग सेटअप। (बी) डेटा अधिग्रहण प्रणाली। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 3: सेंसर संरचनाएं । (ए) चीनी / एरिथ्रिटोल टेम्पलेट की तस्वीर। (बी) स्क्रैप-लेपित ईसीपीसी पैटर्न के साथ लचीली इलेक्ट्रोड परत। (सी) छिद्रपूर्ण ढांकता हुआ परत के साथ नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर की तस्वीर। टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात (पीडीएमएस बेस: टोल्यूनि = 1: 1, 3: 1, 5: 1, और 8: 1) के साथ निर्मित छिद्रपूर्ण पीडीएमएस ढांकता हुआ परतों की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवियां। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: सिमुलेशन और लक्षण वर्णन परिणाम । (ए) कम दबाव लोडिंग के तहत विभिन्न पोरस के साथ छिद्रपूर्ण पीडीएमएस परतों का नकली तनाव-तनाव वक्र। (बी, सी) विभिन्न द्रव्यमान अनुपात (पीडीएमएस बेस: टोल्यूनि = 1: 1, 3: 1, 5: 1, और 8: 1) के साथ पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान के साथ निर्मित कैपेसिटिव दबाव सेंसर का दबाव-प्रतिक्रिया वक्र। (D, E) सेंसर की गतिशील प्रतिक्रिया (पीडीएमएस बेस: टोल्यूनि = 1: 1)। (एफ) छिद्रपूर्ण कैपेसिटिव दबाव सेंसर (लोडिंग के 2,500 चक्र) का स्थिरता परीक्षण परिणाम। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
यह काम छिद्र को नियंत्रित करने के लिए विलायक वाष्पीकरण पर आधारित एक सरल विधि का प्रस्ताव करता है, और प्रयोगात्मक परिणामों की एक श्रृंखला ने इसकी व्यवहार्यता साबित कर दी है। यद्यपि लचीले कैपेसिटिव दबाव सेंसर में छिद्रपूर्ण संरचना का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, पोरसिटी नियंत्रण को अभी भी और अनुकूलन की आवश्यकता है। पीएफए 11,12,13,18,19 के कण आकार और पीएफए 17,20 के लिए बहुलक सब्सट्रेट के अनुपात को बदलने के मौजूदा तरीकों के विपरीत, हम पीएफए (यानी, चीनी) के आकार को समान रखते हुए बहुलक सब्सट्रेट समाधान की एकाग्रता को बदलते हैं। नतीजतन, छिद्र वितरण के दौरान छिद्र की दीवार की मोटाई बदल जाती है, जिसका अर्थ है कि छिद्र को समाधान एकाग्रता द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।
सरंध्रता नियंत्रण के लिए सबसे महत्वपूर्ण कदम पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान तैयार करना है। टोल्यूनि समाधान के द्रव्यमान अनुपात को क्रमशः 1: 1, 3: 1, 5: 1, और 8: 1 के रूप में चुना गया था, ताकि विभिन्न छिद्रों के साथ ढांकता हुआ परतों को बनाया जा सके। यह प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी कि द्रव्यमान अनुपात में कमी से उच्च छिद्र और कम दबाव सीमा में संवेदनशीलता में वृद्धि हुई।
छिद्रपूर्ण टेम्पलेट बनाने के लिए चीनी / एरिथ्रिटोल मिश्रण को गर्म करना भी एक महत्वपूर्ण, अभिनव कदम है। शुद्ध चीनी 21,22 को गर्म करने, पानी23 जोड़ने और दबाव 24 को लागू करने के मौजूदा तरीकों से अलग, इन दो पीएफए घटकों के पिघलने बिंदु अंतर का उपयोग छिद्रपूर्ण टेम्पलेट बनाने के लिए किया गया था। इस प्रोटोकॉल में, हीटिंग तापमान एरिथ्रिटोल के पिघलने बिंदु से अधिक और चीनी के पिघलने बिंदु से कम है। इस प्रकार, एरिथ्रिटोल पाउडर हीटिंग प्रक्रिया के दौरान धीरे-धीरे पिघल जाता है और ठोस चीनी कणों को प्लेट चीनी गांठ में बांध देता है। इस कदम की सफलता के लिए चीनी से एरिथ्रिटोल का द्रव्यमान अनुपात भी आवश्यक पाया गया। एरिथ्रिटोल का एक उच्च अंश चीनी कणों के बीच अंतर को भर देगा, जबकि एक कम अंश बंधन में विफलता का कारण बनेगा।
हालांकि, इस विधि द्वारा निर्मित डिवाइस में कुछ सीमाएं मौजूद हैं। जैसे-जैसे लोडिंग दबाव बढ़ता है, ढांकता हुआ परत में छिद्र धीरे-धीरे बंद हो जाते हैं, और छिद्र की दीवारें एक दूसरे के संपर्क में आती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अधिक ठोस पीडीएमएस जैसी यांत्रिक संपत्ति होती है। यह घटना सरंध्रता से संवेदनशीलता की स्वतंत्रता की व्याख्या करती है, जो हमारे सेंसर के लिए 40 केपीए से ऊपर उच्च दबाव सीमा में पाई गई थी। यह भी ध्यान देने योग्य है कि 8: 1 पीडीएमएस बेस / टोल्यूनि द्रव्यमान अनुपात के साथ बने सेंसर ने 5 केपीए से नीचे के अन्य सेंसर की तुलना में 3.78% केपीए -1 की काफी अधिक संवेदनशीलता दिखाई, जिसे छिद्रपूर्ण संरचना द्वारा प्रेरित यांत्रिक और विद्युत गुणों के युग्मन के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।
इस काम में प्रस्तावित शोध छिद्रपूर्ण कैपेसिटिव प्रेशर सेंसर की कम लागत और आसान निर्माण विधि को सक्षम बनाता है, जिसमें अक्षम सेंसर पैरामीटर होते हैं, जिसमें सॉफ्ट रोबोटिक्स, हैप्टिक इंटरफेस आदि में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं होती हैं। भविष्य में, इस विधि के आधार पर पूरी तरह से एकीकृत बायोनिक सॉफ्ट रोबोटिक ग्रिपर्स के साथ टेबल सेंसर मापदंडों के नरम संवेदी मेकेनोसेप्टर्स पर आगे शोध किया जा सकता है।
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Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
इस काम को ग्रांट 62273304 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
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
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