Solvent buharlaştırma bazlı gözeneklilik kontrol tekniği kullanılarak yumuşak kapasitif basınç sensörlerinin hassasiyet artırılması

Kontrol edilebilir performansa sahip esnek rekabetçi basınç sensörü üretmek için yeni bir yöntem önerdik. Dielektrik tabakanın gözenekliliğini kontrol etmek için çözücü kütle fraksiyonunun ayarlanmasıyla gerçekleştirilir. Rekabetçi basınç sensörünün optimize edilmesi, sofistike mikrofabrikasyon tesislerinin kullanılmasını önleyen uygun maliyetli ve kolay kullanım yöntemiyle gerçekleştirilir.

Gözenekli PDMS dielektrik tabakasını üretmek için, filtrelenmiş şeker ve eritritol tozunu 20 ila 1 kütle oranıyla tartın ve çalkalayarak eşit şekilde karıştırın. Karışımı ticari olarak elde edilen bir şeker eritritolü metal kalıba doldurun ve dolguyu kompakt hale getirmek için yüzeye bastırın. Karışımı bir konveksiyonlu fırında 135 santigrat derecede iki saat ısıtın.

Isıtmadan sonra, topak plaka şekerini çıkarmadan önce karışımın oda sıcaklığında soğumasını bekleyin. Gözenekliliği kontrol edilebilen PDMS dielektrik tabakasını imal etmek için, bir santrifüj tüpünde beş gram tolüen, beş gram PDMS baz ve 0.5 gram PDM kürleme maddesi tartın ve çözeltiyi eşit şekilde karıştırın. Hava kabarcıklarını gidermek için çözeltiyi oda sıcaklığında 30 saniye boyunca 875G'de santrifüj edin.

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. PDMS toluen çözeltisini şablona dökün ve şeker parçacıkları arasındaki tüm boşlukları doldurmak için kabı hafifçe eğin.

Ardından, çanağı vakumlu bir kurutucuya yerleştirin ve 20 dakika boyunca gazdan arındırın. Gazdan arındırdıktan sonra, tolueni buharlaştırmak ve sıvı PDMS'yi kürlemek için çanağı kurutucudan 90 santigrat derecede 45 dakika boyunca fırına aktarın. Ardından, gözenekli şablona gömülü kürlenmiş PDMS'yi deiyonize suya batırın.

Şeker şablonu tamamen çözünene kadar sıcak bir plakada 140 santigrat derecede ısıtın ve gözenekli PDMS'yi deiyonize suyla temizleyin. ECPC'lere dayalı esnek elektrot katmanlarının üretimi için, önce 0.16 gram karbon nanotüp veya CNT ve bir beherde dört gram toluen ağırlığında ECPC'lerin mürekkebini sentezleyin. Solvent buharlaşmasını önlemek için kabı sızdırmazlık filmi ile örtün ve 90 dakika boyunca 250 RPM'de manyetik olarak karıştırın.

Bir beherde iki gram PDMS bazını ve iki gram tolueni tartın ve bir saat boyunca 200 RPM'de manyetik bir karıştırıcıya yerleştirin. Her iki çözeltiyi de hazırladıktan sonra, CNT'lerin toluen süspansiyonunu PDMS baz toluen çözeltisi ile karıştırın ve beheri bir sızdırmazlık filmi ile örtün. İki saat boyunca 250 RPM'de manyetik olarak karıştırın.

Karıştırdıktan sonra, kabı ortaya çıkarın ve karışık çözeltiye 0.2 gram PDMS kürleme maddesi ekleyin. Bir saat boyunca 75 santigrat derece ve 250 RPM'de manyetik olarak karıştırın. Elektrotları kazımak için, tolüen, PDMS baz ve PDMS kürleme maddesini 2 ila 10 ila 1 kütle oranına sahip bir santrifüj tüpünde tartın ve çözeltiyi eşit şekilde karıştırın.

Ardından, hava kabarcıklarını gidermek için çözeltiyi oda sıcaklığında 30 saniye boyunca 875G'de santrifüj edin. Kabartmalı bir elektrot desenine sahip ticari olarak elde edilen bir elektrot metal kalıbına 1.3 gram PDMS toluen çözeltisi dökün. Kalıbı bir vakum kurutucuya yerleştirin ve 10 dakika boyunca gazdan arındırın.

Ardından, kalıptaki PDMS'yi 15 dakika boyunca 90 santigrat derecede sıcak bir plakada kürleyin. Oda sıcaklığında soğuduktan sonra, desenli PDMS filmini soyun. PDMS filmin düz tarafını silikon gofret üzerine takın.

ECPCs mürekkebini elektrot desenine kazıyarak kaplayın. GTBM'nin mürekkebini sıcak plakada 90 santigrat derecede 15 dakika boyunca kürleyin. Yumuşak kapasitif sensörlerin yapıştırılması ve paketlenmesi için, metal teli elektrota takın.

İyi iletkenlik için gümüş iletken boyayı bağlantı yerine bırakın ve gümüş iletken boya kuruyana kadar bekleyin. Kurutulmuş gümüş iletken boyayı tamamen kapatmak için PDMS çözeltisini bağlantının üzerine bırakın. PDMS'yi 15 dakika boyunca 90 santigrat derecede sıcak bir plakada tedavi edin.

Kürledikten sonra, kabloyu üst ve alt elektrot katmanlarına bağlamak için adımları tekrarlayın. Elektrot ve dielektrik tabakalar arasında bağ kurmak için elektrot filmi üzerine yapışkan bir tabaka olarak ince bir PDMS tabakası eşit şekilde uygulayın. Ardından, imal edilmiş gözenekli PDMS dielektrik tabakasını elektrot tabakasına yerleştirin.

PDMS yapıştırıcısını 95 santigrat derecede 10 dakika boyunca kürleyin. Isıtma sırasında iki katman arasında iyi temas sağlamak için gözenekli PDMS'nin üzerine bir cam Petri kabı yerleştirin. İnce bir PDMS tabakasını diğer elektrot tabakasına eşit şekilde uygulayın.

Ardından, bağlı elektrot dielektrik tabakasını tersine çevirin ve diğer tek elektrot tabakasına yerleştirin. İki elektrodu hizaladıktan sonra, gözenekli PDMS tabakası ile diğer elektrot tabakası arasındaki bağı bitirin. Algılama performansını test etmek için, indentoru programlanmış bir mesafe ile dikey olarak aşağı doğru hareket ettirecek şekilde tahrik etmek için kademeli motoru kontrol edin.

Yükleme basıncı 40 Newton'a ulaşana kadar her ardışık yükleme döngüsünde yükleme kuvvetini aynı aralıkta artırarak kapasitansı ve standart basınç verilerini kaydedin. Yine, step motorunu kontrol edin ve kapasitansı ve standart basınç verilerini kaydedin. Standart basınç okumasının bir fonksiyonu olarak test edilen cihazın kapasitansını kaydederken yükleme ve boşaltma testlerini 2.500 döngü boyunca tekrarlayın.

Sıfır Newton yüklemesine dönmeden önce hızlı bir şekilde bastırmak ve birkaç saniye sabit kalmak için girintiyi kontrol edin. Bu prosedürü beş kez tekrarlayın ve kapasitansı zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedin. Farklı PDMS toluen kütle oranları ile imal edilen gözenekli PDMS dielektrik tabakalarının optik mikroskop görüntüleri, PDMS toluen çözeltisinin artan kütle oranı ile gözenek duvarı kalınlığının azaldığını göstermiştir.

Simülasyon analizi, daha yüksek bir gözenekliliğin, aynı uygulanan sıkıştırma basıncı altında geliştirilmiş doğrusallık ile daha büyük bir basınç gerinimine katkıda bulunduğunu göstermiştir. Farklı PDMS toluen kütle oranlarına sahip gözenekli PDMS dielektrik katmanlı sensörlerin kapasitans basınç tepki eğrisi farklı hassasiyet göstermiştir. 0 ila 10 kilopaskal basınç yükleme aralığında, bire bir PDMS toluen kütle oranına sahip sensör, sekiz ila bir PDMS toluen kütle oranına sahip sensörden iki kat daha yüksek hassasiyet sergiledi.

Artan basınç üzerine, dielektrik tabakanın gözenekleri yavaş yavaş küçüldü ve tüm gözeneklilikler için aynı seviyeye ulaşana kadar hassasiyeti azalttı. 10 kilopaskal aynı yükleme basıncı altında beş ardışık yükleme, boşaltma testine kapasitif yanıt gösterilmiştir. Yüklemenin tepki süresi 0,2 saniye olarak bulundu.

Döngüsel testler, fabrikasyon yumuşak kapasitif sensörün 2.500 döngüden sonra mükemmel tekrarlanabilirliğe sahip olduğunu ortaya koydu. PDMS dielektrik tabakasının gözenekliliği, PDMS toluen kütle oranı arttıkça azalacak ve bu da sensör performansını etkileyecektir.