Gevoeligheidsverbetering van zachte capacitieve druksensoren met behulp van een op oplosmiddelverdamping gebaseerde porositeitscontroletechniek

We stelden een nieuwe methode voor om een flexibele concurrentiedruksensor met controleerbare prestaties te fabriceren. Het wordt bereikt door de oplosmiddelmassafractie aan te passen om de porositeit van de diëlektrische laag te regelen. Het optimaliseren van de concurrerende druksensor wordt bereikt door een kostenefficiënte en eenvoudige bedieningsmethode die het gebruik van geavanceerde microfabricagefaciliteiten vermijdt.

Om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te vervaardigen, weegt u gefilterde suiker en erythritolpoeder met een massaverhouding van 20 tot 1 en mengt u ze gelijkmatig door te schudden. Vul het mengsel in een commercieel verkregen suiker erythritol metalen mal en druk op het oppervlak om het vulmiddel compact te maken. Verwarm het mengsel in een heteluchtoven op 135 graden Celsius gedurende twee uur.

Laat het mengsel na verhitting afkoelen bij kamertemperatuur voordat u de klonterplaatsuiker verwijdert. Om de porositeits-controleerbare PDMS-diëlektrische laag te fabriceren, weegt u vijf gram tolueen, vijf gram PDMS-base en 0,5 gram PDM-uithardingsmiddel in een centrifugebuis en roert u de oplossing gelijkmatig. Centrifugeer de oplossing op 875G gedurende 30 seconden bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen.

Leg de vierkante suiker-erythritol poreuze sjabloon in een petrischaaltje. Plaats dubbelzijdige tape als afstandhouders onder de vier hoeken om de sjabloon van het oppervlak van de petrischaal te tillen. Giet de PDMS-tolueenoplossing in de sjabloon en laat de schaal iets hellen om alle openingen tussen de suikerdeeltjes te vullen.

Plaats de schaal vervolgens in een vacuümexsiccator en ontgast gedurende 20 minuten. Breng na het ontgassen de schaal van de exsiccator gedurende 45 minuten over in de oven op 90 graden Celsius om het tolueen te verdampen en het vloeibare PDMS uit te harden. Dompel vervolgens het uitgeharde PDMS ingebed in de poreuze sjabloon onder in gedeïoniseerd water.

Verwarm op een hete plaat op 140 graden Celsius totdat het suikersjabloon volledig is opgelost en reinig het poreuze PDMS met gedeïoniseerd water. Voor de fabricage van de flexibele elektrodelagen op basis van ECPC’s, synthetiseer eerst ECPCs-inkt door 0,16 gram koolstofnanobuisjes of CNT’s en vier gram tolueen in een bekerglas te wegen. Bedek het bekerglas met afdichtfolie om verdamping van oplosmiddelen te voorkomen en roer magnetisch bij 250 RPM gedurende 90 minuten.

Weeg twee gram PDMS-basis en twee gram tolueen in een bekerglas en plaats gedurende een uur op een magneetroerder bij 200 RPM. Na het bereiden van beide oplossingen, mengt u de CNT-tolueensuspensie met de PDMS-basistolueenoplossing en bedek u het bekerglas met een afdichtingsfilm. Magnetisch roeren bij 250 RPM gedurende twee uur.

Ontdek na het mengen het bekerglas en voeg 0,2 gram PDMS-uithardingsmiddel toe aan de gemengde oplossing. Magnetisch roeren bij 75 graden Celsius en 250 RPM gedurende een uur. Om de elektroden te schrapen, weegt u tolueen, PDMS-base en PDMS-uithardingsmiddel in een centrifugebuis met een massaverhouding van 2 tot 10 tot 1 en roert u de oplossing gelijkmatig.

Centrifugeer vervolgens de oplossing op 875G gedurende 30 seconden bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen. Giet 1,3 gram PDMS-tolueenoplossing in een commercieel verkregen elektrodemetaalmal met een elektrodepatroon in reliëf. Plaats de mal in een vacuüm exsiccator en ontgast gedurende 10 minuten.

Laat vervolgens de PDMS in de vorm uitharden op een hete plaat bij 90 graden Celsius gedurende 15 minuten. Na afkoeling bij kamertemperatuur verwijdert u de pdms-film met patroon. Bevestig de platte zijde van de PDMS-film op een siliciumwafer.

Schraap de ECPC’s inkt in het elektrodepatroon. Laat de inkt van de ECPC uitharden op hete plaat bij 90 graden Celsius gedurende 15 minuten. Voor het verlijmen en verpakken van de zachte capacitieve sensoren bevestigt u de metalen draad aan de elektrode.

Laat zilvergeleidende verf op de aansluitlocatie vallen voor een goede geleidbaarheid en wacht tot de zilvergeleidende verf droogt. Laat de PDMS-oplossing op de verbinding vallen om de gedroogde zilvergeleidende verf volledig af te dichten. Laat het PDMS 15 minuten uitharden op een hete plaat bij 90 graden Celsius.

Herhaal na het uitharden de stappen om de draad voor de bovenste en onderste elektrodelagen aan te sluiten. Breng een dunne laag PDMS gelijkmatig aan op de elektrodefilm als hechtingslaag voor binding tussen de elektrode en diëlektrische lagen. Plaats vervolgens de poreuze PDMS-diëlektrische laag die op de elektrodelaag is vervaardigd.

Laat de PDMS-lijm 10 minuten uitharden bij 95 graden Celsius. Plaats een glazen petrischaal op het poreuze PDMS om te zorgen voor een goed contact tussen de twee lagen tijdens het verwarmen. Breng een dunne laag PDMS gelijkmatig aan op de andere elektrodelaag.

Keer vervolgens de gebonden diëlektrische elektrodelaag om en plaats deze op de andere enkele elektrodelaag. Nadat u de twee elektroden hebt uitgelijnd, voltooit u de verbinding tussen de poreuze PDMS-laag en de andere elektrodelaag. Om de detectieprestaties te testen, bestuurt u de stappenmotor om de indrukker verticaal naar beneden te laten bewegen met een geprogrammeerde afstand.

Noteer de capaciteit en de standaarddrukgegevens door de laadkracht met hetzelfde interval in elke opeenvolgende laadcyclus te verhogen totdat de belastingsdruk 40 Newton bereikt. Nogmaals, bedien de stappenmotor en noteer de capaciteit en de standaard drukgegevens. Herhaal de laad- en lostests gedurende 2.500 cycli terwijl u de capaciteit van het te testen apparaat registreert als functie van de standaarddrukmeting.

Controleer de indrukker om snel in te drukken en een paar seconden stabiel te blijven voordat u terugkeert naar nul Newton-belasting. Herhaal deze procedure vijf keer en noteer de capaciteit als functie van de tijd. Optische microscoopbeelden van de poreuze PDMS-diëlektrische lagen vervaardigd met verschillende PDMS-tolueenmassaverhoudingen toonden aan dat de poriewanddikte afnam met een toenemende massaverhouding van de PDMS-tolueenoplossing.

De simulatieanalyse toonde aan dat een hogere porositeit bijdroeg aan een grotere drukspanning, met verbeterde lineariteit onder dezelfde toegepaste compressiedruk. De capaciteitsdrukresponscurve van de sensoren met poreuze PDMS-diëlektrische lagen met verschillende PDMS-tolueenmassaverhoudingen vertoonde een verschillende gevoeligheid. In het drukbelastingsbereik van 0 tot 10 kilopascal vertoonde de sensor met een één-op-één PDMS-tolueenmassaverhouding een tweevoudig hogere gevoeligheid dan die van de sensor met de acht-op-één PDMS-tolueenmassaverhouding.

Bij verhoogde druk werden de poriën van de diëlektrische laag geleidelijk kleiner, waardoor de gevoeligheid afnam totdat deze hetzelfde niveau bereikte voor alle porositeiten. De capacitieve respons op vijf opeenvolgende laad- en losproeven onder dezelfde belastingsdruk van 10 kilopascal wordt weergegeven. De reactietijd van het laden bleek 0,2 seconden te zijn.

De cyclische tests toonden aan dat de gefabriceerde zachte capacitieve sensor een uitstekende herhaalbaarheid had na 2.500 cycli. De porositeit van de PDMS-diëlektrische laag zal afnemen naarmate de PDMS-tolueenmassaverhouding toeneemt, wat de sensorprestaties zal beïnvloeden.