Summary
Kalıplama PDMS/toluen çözeltisinin farklı kütle oranları kullanılarak dielektrik tabakadaki gözeneklilik kontrolü ile etkinleştirilen yumuşak kapasitif basınç sensörünün performansını optimize etmek için solvent evaporasyon tekniğine dayanan basit ve uygun maliyetli bir imalat yöntemi sunulmaktadır.
Abstract
Yumuşak basınç sensörleri, yumuşak robotik ve dokunsal arayüzlerde "insan-makine" dokunsal hissinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle, mikro yapılı polimer matrislere sahip kapasitif sensörler, yüksek hassasiyetleri, geniş doğrusallık aralıkları ve hızlı tepki süreleri nedeniyle büyük çaba sarf ederek araştırılmıştır. Bununla birlikte, algılama performansının iyileştirilmesi genellikle sofistike mikrofabrikasyon tesisleri gerektiren dielektrik tabakanın yapısal tasarımına dayanır. Bu makalede, gözenekliliği ayarlamak için solvent buharlaştırma bazlı yöntemi kullanarak gelişmiş hassasiyete sahip gözenekli kapasitif basınç sensörleri üretmek için basit ve düşük maliyetli bir yöntem bildirilmektedir. Sensör, elastik iletken polimer kompozitlerden (ECPC'ler) yapılmış üst ve alt elektrotlarla bağlanmış gözenekli bir polidimetilsiloksan (PDMS) dielektrik tabakadan oluşur. Elektrotlar, kalıp desenli PDMS filmlere kazıma kaplamalı karbon nanotüpler (CNT'ler) katkılı PDMS iletken bulamaç ile hazırlandı. Gelişmiş algılama performansı için dielektrik tabakanın gözenekliliğini optimize etmek için, PDMS çözeltisi, şeker gözenek oluşturucu maddeyi (PFA) farklı boyutlarda filtrelemek veya öğütmek yerine, farklı kütle fraksiyonlarının tolueniyle seyreltildi. Toluen çözücünün buharlaşması, kontrol edilebilir gözenekliliklere sahip gözenekli bir dielektrik tabakanın hızlı bir şekilde üretilmesini sağlamıştır. Toluen-PDMS oranı 1:8'den 1:1'e yükseltildiğinde duyarlılığın iki kat daha artırılabileceği doğrulandı. Bu çalışmada önerilen araştırma, ayarlanabilir sensör parametrelerinin yumuşak duyusal mekanoreseptörleri ile tam entegre biyonik yumuşak robotik tutucuların üretilmesi için düşük maliyetli bir yöntem sunmaktadır.
Introduction
Son yıllarda, esnek basınç sensörleri, yumuşak robotik 1,2,3, "insan-makine" dokunsal arayüzleri4,5 ve sağlık izleme 6,7,8'deki vazgeçilmez uygulamaları nedeniyle dikkat çekmektedir. Genel olarak, basınç algılama mekanizmaları piezorezistif 1,4,7, piezoelektrik 2,6, kapasitif 2,3,9,10,11,12,13 ve triboelektrik 8'i içerir Sensör. Bunlar arasında, kapasitif basınç sensörleri, yüksek hassasiyetleri, düşük algılama limitleri (LOD) vb. nedeniyle dokunsal algılamada en umut verici yöntemlerden biri olarak öne çıkmaktadır.
Daha iyi algılama performansı için, esnek kapasitif basınç sensörlerine mikro piramitler 2,9,14, mikro sütunlar15 ve mikro gözenekler9,10,11,12,13,16,17 gibi çeşitlimikro yapılar tanıtılmış ve algılamayı daha da iyileştirmek için üretim yöntemleri de optimize edilmiştir bu tür yapıların performansları. Bununla birlikte, bu yapıların çoğu, üretim maliyetlerini ve operasyonel zorlukları önemli ölçüde artıran sofistike mikrofabrikasyon tesisleri gerektirir. Örneğin, yumuşak basınç sensörlerinde en yaygın kullanılan mikroyapı olarak, mikro piramitler, hassas ekipman ve sıkı bir temiz oda ortamı gerektiren kalıplama şablonu olarak litografik olarak tanımlanmış ve ıslak kazınmış Si gofretlerine dayanır 9,14. Bu nedenle, yüksek algılama performanslarını korurken basit imalat süreçleri ve düşük maliyetli hammaddelerle yapılabilen mikro gözenekli yapılar (gözenekli yapılar) son zamanlarda giderek artan bir şekilde dikkat çekmektedir 9,10,11,12,13,16,17 . Bu, PFA'yı ve miktarını değiştirmenin dezavantajlarının yanı sıra, fraksiyon kontrol yöntemimizi kullanma motivasyonu olarak tartışılacaktır.
Burada, bu çalışma, kontrol edilebilir gözenekliliğe sahip gözenekli esnek bir kapasitif basınç sensörü üretmek için çözücü-buharlaştırma tekniğine dayanan basit ve düşük maliyetli bir yöntem önermektedir. Tüm üretim süreci, gözenekli PDMS dielektrik tabakasının imalatını, elektrotların kazıma kaplamasını ve üç fonksiyonel katmanın bağlanmasını içerir. Spesifik olarak, bu çalışma, şeker / eritritol karışım şablonuna dayanan gözenekli PDMS dielektrik tabakasını üretmek için yenilikçi bir şekilde belirli bir kütle oranına sahip bir PDMS / toluen karışım çözeltisi kullanır. Bu arada, homojen bir PFA parçacık boyutu, düzgün gözenek morfolojisi ve dağılımı sağlar; Böylece, PDMS / toluen kütle oranı değiştirilerek gözeneklilik kontrol edilebilir. Deneysel sonuçlar, önerilen basınç sensörünün hassasiyetinin, PDMS/toluen kütle oranını 1:8'den 1:1'e çıkararak iki kattan fazla artırılabileceğini göstermektedir. Farklı PDMS/toluen kütle oranları nedeniyle mikropor duvar kalınlığındaki değişim, optik mikroskop görüntüleri ile de doğrulanır. Optimize edilmiş yumuşak kapasitif basınç sensörü, sırasıyla %3,47 kPa−1 ve 0,2 sn hassasiyet ve tepki süresi ile yüksek algılama performansı gösterir. Bu yöntem, kontrol edilebilir gözenekliliğe sahip gözenekli bir dielektrik tabakanın hızlı, düşük maliyetli ve kolay kullanımlı imalatını sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Gözenekli bir PDMS dielektrik tabaka ile yumuşak kapasitif basınç sensörünün imalatı
- Gözenekli PDMS dielektrik tabakasının imalatı
- Aşağıdaki adımları izleyerek şeker/eritritol gözenekli şablonu hazırlayın.
- Şekeri 270 μm ve 500 μm açıklıklı numune eleklerle filtreleyin. Partikül çapı 270-500 μm aralığında olan şekeri seçin.
NOT: Homojenlik tolerans sınırları içinde olduğu sürece daha büyük veya daha küçük bir şeker partikülü boyutu da kabul edilebilir. Şeker parçacığının çapı, daha sonraki bir adımda üretilen gözenekli PDMS tabakasının gözenek boyutunu etkileyecektir, ancak gözenek boyutunu tam olarak belirlemeyecektir. - Eritritolü (bakınız Malzeme Tablosu) şekerle daha düzgün bir şekilde karıştırmak için toz haline getirin.
- Belirli miktarda filtrelenmiş şeker ve eritritol tozunu 20: 1 kütle oranıyla tartın. Eşit şekilde karıştırmak için çalkalayın.
- Şeker/eritritol karışımını ticari olarak elde edilen bir şeker/eritritol metal kalıbına doldurun (bakınız Malzeme Tablosu). Dolguyu kompakt hale getirmek için yüzeye basın.
NOT: Bir sonraki adımda kolay kalıp çözme sağlamak için, şeker/eritritolünden önce kalıba bir Al folyo tabakası yerleştirilebilir. - Kalıbı şeker/eritritol karışımı ile Şekil 1A'da gösterildiği gibi 135 °C'de konveksiyonlu fırında 2 saat ısıtın. Oda sıcaklığında soğuduktan sonra, topak plaka şekerini (yani gözenekli şablonu) çıkarın.
- Şekeri 270 μm ve 500 μm açıklıklı numune eleklerle filtreleyin. Partikül çapı 270-500 μm aralığında olan şekeri seçin.
- Gözenekliliği kontrol edilebilen PDMS dielektrik tabakasını imal edin.
- Bir santrifüj tüpünde 5 g tolüen, 5 g PDMS baz ve 0,5 g PDMS kürleme maddesi (bkz. Malzeme Tablosu) tartın (yani, PDMS baz / tolüen / kürleme maddesinin kütle oranı 10: 10: 1'dir). Çözeltiyi eşit şekilde karıştırın.
NOT: PDMS baz çözeltisinin kürleme maddesine kütle oranı 10: 1'de sabitlenirken, PDMS dielektrik tabakasının gözenekliliğini kontrol etmek için PDMS'nin toluene kütle oranı kullanılır. PDMS fraksiyonu arttırılırken gözeneklilik azalır. Minimum gözeneklilik, toluen eklenmediğinde elde edilir. - Hava kabarcıklarını gidermek için çözeltiyi oda sıcaklığında 875 x g'de 30 s santrifüj edin.
NOT: Çözelti hacmi büyükse, çözelti bir beherde hazırlanabilir. Santrifüj işlemi, 15 dakika boyunca vakumlu gaz giderme ile değiştirilir. - Adım 1.1.1'de elde edilen kare şeker/eritritol gözenekli şablonu bir Petri kabına yerleştirin. Şablonu Petri çanak yüzeyinden kaldırmak için dört köşenin altına ara parçalar olarak çift taraflı bant yerleştirin.
NOT: Şablon bir Si gofret üzerine de yerleştirilebilir, ancak bu yöntem, şablon ile Si gofret arasındaki arayüzde sensör performansını etkileyebilecek daha kalın bir PDMS katmanına yol açacaktır. - PDMS/toluen çözeltisini şablonun üzerine dökün ve Petri kabını hafifçe eğin, böylece çözelti Şekil 1B'de gösterildiği gibi şeker parçacıkları arasındaki tüm boşlukları tamamen doldurabilir.
- Petri kabını PDMS/toluen çözeltisi ile doldurulmuş gözenekli şablonla birlikte bir vakum kurutucuya yerleştirin ve 20 dakika boyunca gazdan arındırın.
- Tolueni buharlaştırmak ve sıvı PDMS'yi kürlemek için Petri kabını vakum kurutucudan 90 ° C'de 45 dakika boyunca fırına aktarın.
- Gözenekli şablona gömülü kürlenmiş PDMS'yi Şekil 1C'de gösterildiği gibi deiyonize suya (DI suyu) daldırın. Şeker şablonu tamamen eriyene kadar 140 ° C'de bir sıcak plakada ısıtın. Gözenekli PDMS'yi DI su ile temizleyin.
- Bir santrifüj tüpünde 5 g tolüen, 5 g PDMS baz ve 0,5 g PDMS kürleme maddesi (bkz. Malzeme Tablosu) tartın (yani, PDMS baz / tolüen / kürleme maddesinin kütle oranı 10: 10: 1'dir). Çözeltiyi eşit şekilde karıştırın.
- Aşağıdaki adımları izleyerek şeker/eritritol gözenekli şablonu hazırlayın.
- ECPC'lere dayalı esnek elektrot katmanlarının imalatı
- ECPCs mürekkebini sentezleyin.
- Bir beherde 0,16 g CNT (çap: 10-20 nm, uzunluk: 10-30 μm, Malzeme Tablosuna bakınız) ve 4 g toluen tartın ve 1,5 saat boyunca 250 rpm'de manyetik olarak karıştırın. Bu arada, 2 g PDMS bazını ve 2 g tolueni bir beher içine tartın ve 1 saat boyunca 200 rpm'de manyetik olarak karıştırın. Solvent buharlaşmasını önlemek için karıştırırken kabı sızdırmazlık filmi ile örtün.
- CNT'ler/toluen süspansiyonunu PDMS taban/toluen çözeltisi ile karıştırın ve beheri bir sızdırmazlık filmi ile örtün. 2 saat boyunca 250 rpm'de manyetik olarak karıştırın.
- Karışık çözeltiye 0.2 g PDMS kürleme maddesi ekleyin. 1 saat boyunca 75 ° C ve 250 rpm'de manyetik olarak karıştırın. Karıştırma sırasında çözücü buharlaşması ve süspansiyon konsantrasyonu için kabı Şekil 1D, E'de gösterildiği gibi ortaya çıkarın.
NOT: Karıştırma ve ısıtma süresi ayarlanabilir. Karışımın viskozitesi, aşağıdaki kazıma kaplama işlemini kolaylaştıran karıştırma süresi ile artar. Bununla birlikte, PDMS çözeltisinin kürlenmesini önlemek için süre çok uzun olmamalıdır. Karışım, kazıma kaplaması için uygun bir viskoziteye konsantre edildiğinde, ECPC'lerin mürekkep sentez işlemi tamamlanır.
- Aşağıdaki adımları izleyerek elektrotları kazıyarak kaplayın.
- Tolüen, PDMS baz ve PDMS kürleme maddesini 2:10:1 kütle oranına sahip bir santrifüj tüpünde tartın. Çözeltiyi eşit şekilde karıştırın.
- Hava kabarcıklarını gidermek için çözeltiyi oda sıcaklığında 875 x g'de 30 s santrifüj edin.
- Şekil 1F'de gösterildiği gibi, ticari olarak elde edilen bir elektrot metal kalıbına (bakınız Malzeme Tablosu) 1.3 g PDMS / toluen çözeltisi dökün.
NOT: Kalıbın altındaki kabartmalı desen 0,2 mm kalınlığındadır. - Kalıbı bir vakum kurutucuya yerleştirin ve 10 dakika boyunca gazdan arındırın.
- Kalıptaki PDMS'yi 15 dakika boyunca 90 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde kürleyin. Desenli PDMS filmi oda sıcaklığında soğuduktan sonra soyun.
- PDMS filminin düz tarafını bir Si gofret üzerine takın (yani, elektrot deseniyle tarafı açığa çıkarın). PDMS filmi ile Si gofret arasında hava kabarcığı olmadığından emin olun.
- Adım 1.2.1'de hazırlanan ECPCs mürekkebini Şekil 1G'nin gösterdiği gibi elektrot desenine kazıyarak kaplayın. Fazla mürekkebi izopropil alkol (IPA) ile batırılmış tozsuz bir mendille temizleyin.
- ECPCs mürekkebini 90 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde 15 dakika boyunca kürleyin.
- Hem üst hem de alt elektrot katmanlarını üretmek için 1.2.2.3-1.2.2.8 adımlarını tekrarlayın.
- ECPCs mürekkebini sentezleyin.
- Yumuşak kapasitif sensörlerin yapıştırılması ve paketlenmesi
- Metal teli (bkz. Malzeme Tablosu) elektrota takın. Şekil 1H'de gösterildiği gibi iyi iletkenlik sağlamak için gümüş iletken boyayı bağlantı yerine bırakın (bkz. Gümüş iletken boya oda sıcaklığında kuruyana kadar bekleyin.
- Kurutulmuş gümüş iletken boyayı tamamen kapatmak için adım 1.2.2.1'de hazırlanan sıvı PDMS çözeltisini bağlantının üzerine bırakın. PDMS'yi 90 ° C'de bir sıcak plakada 15 dakika boyunca kürleyin.
- Kabloyu hem üst hem de alt elektrot katmanlarına bağlamak için 1.3.1-1.3.2 adımlarını tekrarlayın.
- Adım 1.2.2.1'de hazırlanan ince bir sıvı PDMS tabakasını, elektrot tabakası ile dielektrik tabaka arasında yapıştırmak için bir yapışma tabakası olarak elektrot filmi üzerine eşit şekilde uygulayın.
- Adım 1.1.2'de imal edilen gözenekli PDMS dielektrik tabakasını elektrot tabakası üzerine yerleştirin.
- PDMS yapıştırıcısını sıcak bir plaka üzerinde 95 ° C'de 10 dakika boyunca kürleyin. Isıtma sırasında iki katman arasında iyi temas sağlamak için gözenekli PDMS'nin üzerine bir cam Petri kabı yerleştirin.
- Diğer elektrot tabakası için adım 1.3.4'ü tekrarlayın. Adım 1.3.6'da elde edilen bağlı elektrot-dielektrik tabakayı tersine çevirin ve diğer tek elektrot tabakasına yerleştirin (yani, gözenekli PDMS tabakasının elektrot tabakası ile doğrudan temas halinde olması için). İki elektrotun kesinlikle birbirine zıt hizalandığından emin olun.
- Gözenekli PDMS tabakası ile diğer elektrot tabakası arasındaki bağı tamamlamak için adım 1.3.6'yı tekrarlayın.
NOT: Son sensörün bir çizimi Şekil 1I'de gösterilmiştir. Sensörün yapısının ve malzemelerinin çizimleri Şekil 1J'de gösterilmiştir.
2. Sensör performans karakterizasyonunun deneysel süreci
- Kademeli basınç yükleme kurulumu ve veri toplama sistemi
- Test edilen sensörün basınç yüklemesi için çapı 2,5 cm'lik bir daire olan bir yükleme alanına sahip 3D baskılı bir indenter kullanın (bkz.
- Indenter'ı, standart bir çekme basıncı sensörü aracılığıyla bir step motor tarafından kontrol edilen dikey doğrusal hareketli bir kademeye sabitleyin (bkz.
- Bir veri toplama (DAQ) cihazı kullanarak standart basınç verilerini kaydederken yumuşak kapasitif basınç sensörünün kapasitansını bir LCR metre ile ölçün. Hem LCR ölçüm cihazını hem de DAQ'yi LabVIEW veri günlüğü programını çalıştıran bir bilgisayara bağlayın (bkz.
NOT: Deney düzeneğinin çizimleri Şekil 2'de gösterilmiştir. Indenter ile standart çekme basıncı sensörü arasına bir yay uygulanır, bu da doğrusal hareket kademesinin dikey yer değiştirmesini yükleme basıncına dönüştürür.
- Algılama performansını test etme
- Indenter'ı programlanmış bir mesafe ile dikey olarak aşağı doğru hareket ettirmek için kademeli motoru kontrol edin. Kapasitansı ve standart basınç verilerini, yükleme basıncı 40 N'ye (~ 80 kPa) ulaşana kadar her ardışık yükleme döngüsünde yükleme kuvvetini aynı aralıkta artırarak kaydedin.
- İndenter'ı son adımda olduğu gibi dikey olarak yukarı doğru hareket ettirmek için kademeli motoru kontrol edin. Indenter stabilize olduktan sonra kapasitansı ve standart basınç verilerini kaydedin. Yükleme kuvvetini aynı aralıkta azaltarak işlemi tekrarlayın; Her ardışık yükleme döngüsünde, yükleme basıncı 0 N'ye düşer.
- Indenter'ı programlanmış bir mesafe ile dikey olarak aşağı doğru hareket ettirmek için kademeli motoru kontrol edin. Kapasitansı ve standart basınç verilerini kaydedin. Standart basınç okumasının bir fonksiyonu olarak test edilen cihazın (DUT) kapasitansını kaydederken yükleme ve boşaltma testlerini 2.500 döngü boyunca tekrarlayın.
- Girintiyi hızlı bir şekilde bastıracak şekilde kontrol edin ve 0 N yüklemeye dönmeden önce birkaç saniye sabit kalın. Bunu beş kez tekrarlayın ve kapasitansı zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Topaklanmış şeker/eritritol gözenekli şablonun fotoğrafı Şekil 3A'da gösterilmiştir. Şekil 3B, esnek elektrot tabakasını kazıma kaplı bir ECPCs desenine sahip olarak göstermektedir. Şekil 3C, önerilen yöntemle imal edilmiş gözenekli bir dielektrik tabakaya sahip yumuşak kapasitif basınç sensörünü göstermektedir. Dört gözenekli PDMS dielektrik katmanı, sırasıyla 1: 1, 3: 1, 5: 1 ve 8: 1 farklı kütle oranlarına sahip PDMS / toluen çözeltilerine dayanarak üretildi. Farklı yapıların gözenek morfolojilerini gösteren optik mikroskop görüntüleri Şekil 3D'de sunulmuştur. PDMS/toluen çözeltisinin artan kütle oranı ile gözenek duvarı kalınlığının arttığı bulunmuştur.
Mekanik özelliklerin gözenekliliğe bağımlılığını doğrulamak için, gelişmiş sayısal modelleme yazılımı kullanılarak basınç geriniminin bir fonksiyonu olarak gözenekli PDMS dielektrik tabakasında geliştirilen basıncı simüle etmek için bir sonlu elemanlar analizi (FEA) gerçekleştirilmiştir (bkz. Açık gözenekli gözenekli PDMS'nin z ekseninde 2 mm uzunluğunda bir 3D modeli oluşturuldu. Gözeneklerin yeri sabitlenirken, farklı gözeneklilikler elde etmek için çaplar değiştirildi. Z ekseninde artan bir basınç uygulanırken, x ekseninde ve y ekseninde periyodik ve simetrik sınır koşulları uygulanmıştır. Şekil 4A'daki simülasyon sonucu, daha yüksek bir gözenekliliğin, aynı uygulanan sıkıştırma basıncı altında geliştirilmiş doğrusallığa sahip daha büyük bir basınç gerinimine katkıda bulunduğunu göstermektedir. Şekil 4B,C, farklı PDMS/toluen kütle oranlarına sahip gözenekli PDMS dielektrik katmanlı sensörlerin kapasitans-basınç tepki eğrisini göstermektedir. 0-10 kPa basınç yükleme aralığında, 1:1 PDMS/toluen kütle oranına sahip sensör, 8:1 PDMS/toluen kütle oranına (%1,48 kPa-1) sahip sensörden iki kat daha yüksek olan %3,47 kPa−1'lik en yüksek hassasiyeti sergiledi. Basınç arttıkça, dielektrik tabakadaki gözeneklerin boyutu kademeli olarak küçüldü ve Şekil 4C'de gösterildiği gibi, tüm gözeneklilikler için% 0.66 -% 0.89 kPa-1 aynı seviyeye ulaşana kadar hassasiyette bir azalmaya yol açtı. Şekil 4D, yaklaşık 10 kPa'lık aynı yükleme basıncı altında beş ardışık yükleme-boşaltma testine kapasitif tepkiyi göstermektedir. Yüklemenin tepki süresi (yani, sensör kapasitansının kararlı durum değerinin% 90'ına ulaşması için gereken süre), Şekil 4E'de gösterildiği gibi yaklaşık 0,2 s olarak belirlenmiştir. Ek olarak, Şekil 4F'de gösterildiği gibi, döngüsel testler, imal edilmiş yumuşak kapasitif sensörün 2.500 döngüden sonra mükemmel tekrarlanabilirliğe sahip olduğunu da ortaya koymuştur.
Şekil 1: İmalat sürecinin şeması. (A-C) Gözenekli PDMS dielektrik tabakasının imalat akışı. (D,E) ECPCs mürekkebinin hazırlanması. (F,G) Elektrot tabakasının kazıma-kaplama işlemi. (H,I) Elektrot-gözenekli dielektrik tabaka-elektrot sandviç yapısı ile yumuşak kapasitif basınç sensörünün tel bağlantısı ve yapıştırma işlemi. (J) Sensörün yapısının ve malzemelerinin çizimleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Deney düzeneği . (A) Kademeli basınç yükleme ayarı. (B) Veri toplama sistemi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Sensör yapıları . (A) Şeker/eritritol şablonunun fotoğrafı. (B) Kazıma kaplı ECPCs desenine sahip esnek elektrot tabakası. (C) Yumuşak kapasitif basınç sensörünün gözenekli dielektrik tabaka ile fotoğrafı. (D) Farklı PDMS/toluen kütle oranlarıyla imal edilen gözenekli PDMS dielektrik tabakalarının optik mikroskop görüntüleri (PDMS tabanı:toluen = 1:1, 3:1, 5:1 ve 8:1). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Simülasyon ve karakterizasyon sonucu. (A) Düşük basınçlı yükler altında farklı gözeneklere sahip gözenekli PDMS katmanlarının simüle edilmiş gerilme-gerinim eğrisi. (B,C) Farklı kütle oranlarına sahip PDMS/toluen çözeltileri ile üretilen kapasitif basınç sensörlerinin basınç-tepki eğrisi (PDMS base:toluene = 1:1, 3:1, 5:1 ve 8:1). (D,E) Sensörün dinamik tepkisi (PDMS tabanı:toluen = 1:1). (F) Gözenekli kapasitif basınç sensörünün stabilite testi sonucu (2.500 yükleme döngüsü). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışma, gözenekliliği kontrol etmek için çözücü buharlaşmasına dayanan basit bir yöntem önermektedir ve bir dizi deneysel sonuç uygulanabilirliğini kanıtlamıştır. Gözenekli yapı esnek kapasitif basınç sensöründe yaygın olarak kullanılmasına rağmen, gözeneklilik kontrolünün hala daha fazla optimizasyona ihtiyacı vardır. PFA 11,12,13,18,19'un partikül boyutunu ve polimer substratın PFA 17,20'ye oranını değiştirmek için mevcut yöntemlerin aksine, PFA'nın (yani şekerin) boyutunu eşit tutarken polimer substrat çözeltisinin konsantrasyonunu değiştiriyoruz. Sonuç olarak, gözenek dağılımı devam ederken gözenek duvarının kalınlığı değişir, bu da gözenekliliğin çözelti konsantrasyonu ile kontrol edilebileceği anlamına gelir.
Gözeneklilik kontrolü için en kritik adım PDMS/toluen çözeltisinin hazırlanmasıdır. PDMS / toluen çözeltisinin kütle oranları, farklı gözeneklilere sahip dielektrik tabakaları üretmek için sırasıyla 1: 1, 3: 1, 5: 1 ve 8: 1 olarak seçildi. Kütle oranındaki azalmanın, düşük basınç aralığında daha yüksek gözenekliliğe ve artan hassasiyete yol açtığı deneysel olarak doğrulanmıştır.
Gözenekli şablonu üretmek için şeker/eritritol karışımının ısıtılması da kritik ve yenilikçi bir adımdır. Saf şeker 21,22'yi ısıtmak, su 23 eklemek vebasınç uygulamak için 24'ü uygulamak için mevcut yöntemlerden farklı olarak, gözenekli şablonu üretmek için bu iki PFA bileşeninin erime noktası farkı kullanılmıştır. Bu protokolde, ısıtma sıcaklığı eritritolün erime noktasından daha yüksektir ve şekerin erime noktasından daha düşüktür. Böylece, eritritol tozu ısıtma işlemi sırasında yavaş yavaş erir ve katı şeker parçacıklarını bir plaka şeker topağına bağlar. Şekerin eritritole kütle oranının da bu adımın başarısı için gerekli olduğu bulunmuştur. Eritritolün daha yüksek bir fraksiyonu şeker parçacıkları arasındaki boşluğu doldururken, daha düşük bir fraksiyon bağlanmada başarısızlığa yol açacaktır.
Bununla birlikte, bu yöntemle üretilen cihazda bazı sınırlamalar vardır. Yükleme basıncı arttıkça, dielektrik tabakadaki gözenekler yavaş yavaş kapanır ve gözenek duvarları birbirleriyle temas eder, bu da daha katı bir PDMS benzeri mekanik özellik ile sonuçlanır. Bu fenomen, sensörümüz için 40 kPa'nın üzerindeki daha yüksek basınç aralığında bulunan gözeneklilikten hassasiyetin bağımsızlığını açıklar. Ayrıca, 8: 1 PDMS baz / toluen kütle oranıyla yapılan sensörün, gözenekli yapının neden olduğu mekanik ve elektriksel özelliklerin bir birleşimine atfedilebilecek 5 kPa'nın altındaki diğer sensörlere kıyasla% 3.78 kPa-1'lik önemli ölçüde daha yüksek bir hassasiyet gösterdiğini de belirtmek gerekir.
Bu çalışmada önerilen araştırma, yumuşak robotik, dokunsal arayüzler vb. alanlarda geniş uygulama beklentilerine sahip ayarlanabilir sensör parametrelerine sahip gözenekli kapasitif basınç sensörlerinin düşük maliyetli ve kullanımı kolay bir üretim yöntemini mümkün kılmaktadır. Gelecekte, ayarlanabilir sensör parametrelerinin yumuşak duyusal mekanoreseptörlerine sahip tam entegre biyonik yumuşak robotik tutucular bu yönteme dayanarak daha fazla araştırılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Grant 62273304 altındaki Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
