Empfindlichkeitssteigerung von weich-kapazitiven Drucksensoren unter Verwendung einer lösungsmittelbasierten Porositätskontrolltechnik

Zusammenfassung

Es wird eine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode vorgestellt, die auf der Lösungsmittelverdampfungstechnik basiert, um die Leistung eines weich-kapazitiven Drucksensors zu optimieren, was durch Porositätskontrolle in der dielektrischen Schicht unter Verwendung verschiedener Massenverhältnisse der PDMS/Toluol-Lösung ermöglicht wird.

Zusammenfassung

Weichdrucksensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des "Mensch-Maschine"-Tastgefühls in der Softrobotik und haptischen Schnittstellen. Insbesondere kapazitive Sensoren mit mikrostrukturierten Polymermatrizes wurden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres breiten Linearitätsbereichs und ihrer schnellen Ansprechzeit mit erheblichem Aufwand erforscht. Die Verbesserung der Sensorleistung hängt jedoch häufig vom strukturellen Design der dielektrischen Schicht ab, was ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen erfordert. Dieser Artikel berichtet über eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung poröser kapazitiver Drucksensoren mit verbesserter Empfindlichkeit unter Verwendung der lösungsmittelbasierten Verdampfungsmethode zur Abstimmung der Porosität. Der Sensor besteht aus einer porösen Dielektrikumsschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), die mit oberen und unteren Elektroden aus elastischen leitfähigen Polymerkompositen (ECPCs) verbunden ist. Die Elektroden wurden hergestellt, indem mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) dotierte, leitfähige PDMS-Aufschlämmung in PDMS-Schichten mit Formmuster versehen wurde. Um die Porosität der dielektrischen Schicht für eine verbesserte Sensorleistung zu optimieren, wurde die PDMS-Lösung mit Toluol unterschiedlicher Massenanteile verdünnt, anstatt das Zuckerporenbildner (PFA) in verschiedene Größen zu filtern oder zu mahlen. Die Verdampfung des Toluol-Lösungsmittels ermöglichte die schnelle Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbaren Porositäten. Es konnte bestätigt werden, dass die Empfindlichkeit um das Zweifache gesteigert werden konnte, wenn das Toluol-PDMS-Verhältnis von 1:8 auf 1:1 erhöht wurde. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Forschung ermöglicht eine kostengünstige Methode zur Herstellung von voll integrierten bionischen Soft-Robotergreifern mit weichen sensorischen Mechanorezeptoren von einstellbaren Sensorparametern.

Einleitung

In den letzten Jahren haben flexible Drucksensoren aufgrund ihrer unverzichtbaren Anwendung in der Softrobotik ^1,2,3, den haptischen Schnittstellen "Mensch-Maschine" ^4,5 und der Gesundheitsüberwachung 6,7,8 Aufmerksamkeit erregt. Im Allgemeinen umfassen die Mechanismen für die Druckmessung piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisch ^2,6, kapazitiv 2,3,9,10,11,12,13 und triboelektrisch 8 Sensoren. Unter ihnen zeichnen sich kapazitive Drucksensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, niedrigen Nachweisgrenze (LOD) usw. als eine der vielversprechendsten Methoden in der taktilen Sensorik aus.

Um eine bessere Sensorleistung zu erzielen, wurden verschiedene Mikrostrukturen wie Mikropyramiden², 9, 14, Mikrosäulen¹⁵ und Mikroporen ⁹, 10, 11, ¹², 13, ^{16, 17} in flexible kapazitive Drucksensoren eingeführt^, und die Herstellungsmethoden wurden ebenfalls optimiert, um die Sensorik weiter zu verbessern Aufführungen solcher Strukturen. Die meisten dieser Strukturen erfordern jedoch ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen, was die Herstellungskosten und Betriebsschwierigkeiten erheblich erhöht. Mikropyramiden sind beispielsweise die am häufigsten verwendete Mikrostruktur in Weichdrucksensoren und basieren auf lithografisch definierten und nassgeätzten Si-Wafern als Formvorlage, was Präzisionsgeräte und eine strenge Reinraumumgebung erfordert ^9,14. Daher haben Mikroporenstrukturen (poröse Strukturen), die durch einfache Herstellungsprozesse und mit kostengünstigen Rohstoffen unter Beibehaltung hoher Sensorleistungen hergestellt werden können,^{in letzter Zeit} zunehmend Aufmerksamkeit erregt 9,10,11,12,13,16,17 . Dies wird, zusammen mit den Nachteilen einer Änderung der PFA und ihrer Menge, als Motivation für die Verwendung unserer Fraktionskontrollmethode diskutiert.

In dieser Arbeit wird eine einfache und kostengünstige Methode vorgeschlagen, die auf der Lösungsmittel-Verdampfungstechnik basiert, um einen porösen, flexiblen kapazitiven Drucksensor mit kontrollierbarer Porosität herzustellen. Der komplette Herstellungsprozess umfasst die Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht, die Abstandsbeschichtung der Elektroden und die Verklebung von drei Funktionsschichten. Konkret wird in dieser Arbeit eine PDMS/Toluol-Mischlösung mit einem bestimmten Massenverhältnis verwendet, um die poröse dielektrische PDMS-Schicht auf der Grundlage des Zucker/Erythrit-Gemischs herzustellen. Währenddessen sorgt eine gleichmäßige PFA-Partikelgröße für eine gleichmäßige Porenmorphologie und -verteilung; So kann die Porosität durch Änderung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses gesteuert werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Drucksensors durch eine Erhöhung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses von 1:8 auf 1:1 um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Die Variation der Mikroporenwanddicke aufgrund unterschiedlicher PDMS/Toluol-Massenverhältnisse wird auch durch lichtmikroskopische Aufnahmen bestätigt. Der optimierte weich-kapazitive Drucksensor zeigt eine hohe Schaltleistung mit einer Empfindlichkeit und Reaktionszeit von 3,47 % kPa⁻¹ bzw. 0,2 s. Mit diesem Verfahren wird die schnelle, kostengünstige und einfach zu bedienende Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbarer Porosität erreicht.

Protokoll

1. Herstellung des weich-kapazitiven Drucksensors mit einer porösen dielektrischen PDMS-Schicht

1. Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht
   1. Bereiten Sie die poröse Zucker-/Erythrit-Schablone vor, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
      1. Filtrieren Sie den Zucker mit Probensieben mit Öffnungen von 270 μm und 500 μm. Wählen Sie Zucker mit einem Partikeldurchmesser im Bereich von 270-500 μm.
         Anmerkungen: Eine größere oder kleinere Zuckerpartikelgröße ist ebenfalls zulässig, solange die Gleichmäßigkeit innerhalb der Toleranzgrenzen liegt. Der Durchmesser des Zuckerpartikels beeinflusst die Porengröße der porösen PDMS-Schicht, die in einem späteren Schritt hergestellt wird, bestimmt die Porengröße jedoch nicht vollständig.
      2. Mahlen Sie Erythrit (siehe Materialtabelle) zu Pulver, um eine gleichmäßigere Vermischung mit dem Zucker zu gewährleisten.
      3. Wiegen Sie eine bestimmte Menge Filterzucker und Erythritpulver mit einem Massenverhältnis von 20:1 ab. Schütteln, um sie gleichmäßig zu mischen.
      4. Füllen Sie das Zucker/Erythrit-Gemisch in eine handelsübliche Zucker/Erythrit-Metallform (siehe Materialtabelle). Drücken Sie auf die Oberfläche, um den Füllstoff kompakt zu machen.
         Anmerkungen: Um eine einfache Entformung im nächsten Schritt zu gewährleisten, kann vor dem Zucker/Erythrit eine Schicht Al-Folie in die Form gelegt werden.
      5. Erhitzen Sie die Form mit dem Zucker-Erythrit-Gemisch in einem Umluftofen bei 135 °C für 2 h, wie in Abbildung 1A gezeigt. Nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur den Würfelzucker (d.h. die poröse Schablone) herausnehmen.
   2. Herstellung der porositätskontrollierbaren dielektrischen PDMS-Schicht.
      1. Wiegen Sie 5 g Toluol, 5 g PDMS-Base und 0,5 g PDMS-Härter (siehe Materialtabelle) in einem Zentrifugenröhrchen ab (d. h. das Massenverhältnis von PDMS-Base/Toluol/Härter beträgt 10:10:1). Rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.
         Anmerkungen: Das Massenverhältnis von PDMS-Basislösung zu Härter ist auf 10:1 festgelegt, während das Massenverhältnis von PDMS zu Toluol verwendet wird, um die Porosität der dielektrischen PDMS-Schicht zu steuern. Die Porosität nimmt mit zunehmender PDMS-Fraktion ab. Die minimale Porosität wird erreicht, wenn kein Toluol zugesetzt wird.
      2. Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 x g für 30 s bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.
         Anmerkungen: Wenn das Lösungsvolumen groß ist, kann die Lösung in einem Becherglas zubereitet werden. Die Zentrifugalbehandlung wird durch eine Vakuumentgasung für 15 min ersetzt.
      3. Die in Schritt 1.1.1 erhaltene quadratische poröse Zucker-/Erythrit-Schablone wird in eine Petrischale gegeben. Legen Sie doppelseitiges Klebeband als Abstandshalter unter die vier Ecken, um die Schablone von der Oberfläche der Petrischale abzuheben.
         HINWEIS: Die Vorlage kann auch auf einem Si-Wafer platziert werden, aber diese Methode führt zu einer dickeren PDMS-Schicht an der Grenzfläche zwischen der Vorlage und dem Si-Wafer, was die Sensorleistung beeinträchtigen kann.
      4. Gießen Sie die PDMS/Toluol-Lösung auf die Schablone und neigen Sie die Petrischale leicht, damit die Lösung alle Lücken zwischen den Zuckerpartikeln vollständig ausfüllen kann, wie in Abbildung 1B gezeigt.
      5. Stellen Sie die Petrischale mit der mit PDMS/Toluollösung gefüllten porösen Schablone in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 20 Minuten lang.
      6. Die Petrischale aus dem Vakuumexsikkator für 45 min bei 90 °C in den Ofen geben, um das Toluol zu verdampfen und das flüssige PDMS auszuhärten.
      7. Tauchen Sie das ausgehärtete PDMS, das in die poröse Matrize eingebettet ist, in deionisiertes Wasser (DI-Wasser), wie in Abbildung 1C gezeigt. Auf einer heißen Platte bei 140 °C erhitzen, bis sich die Zuckerschablone vollständig aufgelöst hat. Reinigen Sie das poröse PDMS mit DI-Wasser.
2. Herstellung der flexiblen Elektrodenschichten auf Basis von ECPCs
   1. Synthetisieren Sie die Auto-Schutzpatrone.
      1. 0,16 g CNTs (Durchmesser: 10-20 nm, Länge: 10-30 μm, siehe Materialtabelle) und 4 g Toluol in einem Becherglas abwiegen und 1,5 h bei 250 U/min magnetisch umrühren. In der Zwischenzeit 2 g PDMS-Base und 2 g Toluol in ein Becherglas geben und 1 Stunde lang bei 200 U/min magnetisch umrühren. Decken Sie das Becherglas unter Rühren mit Dichtungsfolie ab, um eine Verdunstung des Lösungsmittels zu verhindern.
      2. Mischen Sie die CNTs/Toluol-Suspension mit der PDMS-Basis/Toluol-Lösung und decken Sie das Becherglas mit einer Siegelfolie ab. 2 h bei 250 U/min magnetisch umrühren.
      3. 0,2 g PDMS-Härter in die Mischlösung geben. Magnetisch rühren bei 75 °C und 250 U/min für 1 h. Decken Sie das Becherglas beim Rühren auf Lösungsmittelverdampfung und Suspensionskonzentration ab, wie in Abbildung 1D, E gezeigt.
         Anmerkungen: Die Dauer des Rührens und Erhitzens ist einstellbar. Die Viskosität des Gemischs nimmt mit der Rührzeit zu, was den anschließenden Kratzerbeschichtungsvorgang erleichtert. Die Dauer sollte jedoch nicht zu lang sein, um ein Aushärten der PDMS-Lösung zu verhindern. Wenn die Mischung auf eine Viskosität konzentriert ist, die für die Kratzbeschichtung geeignet ist, ist der ECPC-Tintensyntheseprozess abgeschlossen.
   2. Kratzen Sie die Elektroden ab, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
      1. Wiegen Sie Toluol, PDMS-Base und PDMS-Härter in einem Zentrifugenröhrchen mit einem Massenverhältnis von 2:10:1 ab. Rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.
      2. Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 x g für 30 s bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.
      3. Gießen Sie 1,3 g PDMS/Toluol-Lösung in eine kommerziell hergestellte Elektrodenmetallform (siehe Materialtabelle) mit einem geprägten Elektrodenmuster, wie in Abbildung 1F gezeigt.
         Anmerkungen: Das Prägemuster am Boden der Form ist 0,2 mm dick.
      4. Legen Sie die Form in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 10 Minuten lang.
      5. Das PDMS in der Form auf einer heißen Platte bei 90 °C für 15 min aushärten. Ziehen Sie die gemusterte PDMS-Folie nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur ab.
      6. Befestigen Sie die flache Seite der PDMS-Folie auf einem Si-Wafer (d. h. belichten Sie die Seite mit dem Elektrodenmuster). Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen zwischen der PDMS-Folie und dem Si-Wafer befinden.
      7. Die in Schritt 1.2.1 hergestellte ECPC-Tinte wird in das Elektrodenmuster abgekratzt, wie Abbildung 1G zeigt. Reinigen Sie die überschüssige Tinte mit einem in Isopropylalkohol (IPA) getauchten, staubfreien Tuch.
      8. Die ECPC-Tinte auf einer Heizplatte bei 90 °C für 15 min aushärten.
      9. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.2.3-1.2.2.8, um sowohl die obere als auch die untere Elektrodenschicht herzustellen.
3. Verklebung und Konfektionierung der weich-kapazitiven Sensoren
   1. Befestigen Sie den Metalldraht (siehe Materialtabelle) an der Elektrode. Tropfen Sie silberne leitfähige Farbe (siehe Materialtabelle) an die Verbindungsstelle, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten, wie in Abbildung 1H gezeigt. Warten Sie, bis die silberne leitfähige Farbe bei Raumtemperatur getrocknet ist.
   2. Lassen Sie die in Schritt 1.2.2.1 hergestellte flüssige PDMS-Lösung auf den Anschluss fallen, um die getrocknete silberleitfähige Farbe vollständig zu versiegeln. Das PDMS auf einer heißen Platte bei 90 °C für 15 min aushärten.
   3. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1-1.3.2, um den Draht sowohl für die obere als auch für die untere Elektrodenschicht anzuschließen.
   4. Eine dünne Schicht flüssiger PDMS, die in Schritt 1.2.2.1 hergestellt wurde, gleichmäßig auf die Elektrodenfolie als Haftschicht für die Verbindung zwischen der Elektrodenschicht und der dielektrischen Schicht auftragen.
   5. Legen Sie die in Schritt 1.1.2 hergestellte poröse dielektrische PDMS-Schicht auf die Elektrodenschicht.
   6. Härten Sie den PDMS-Kleber auf einer heißen Platte bei 95 °C für 10 min aus. Stellen Sie eine Petrischale aus Glas auf das poröse PDMS, um einen guten Kontakt zwischen den beiden Schichten während des Erhitzens zu gewährleisten.
   7. Wiederholen Sie Schritt 1.3.4 für die andere Elektrodenschicht. Die in Schritt 1.3.6 erhaltene gebundene Elektroden-Dielektrikum-Schicht wird umgedreht und auf die andere einzelne Elektrodenschicht gelegt (d. h. die poröse PDMS-Schicht in direktem Kontakt mit der Elektrodenschicht zu haben). Achten Sie darauf, dass die beiden Elektroden genau gegenüberliegend ausgerichtet sind.
   8. Wiederholen Sie Schritt 1.3.6, um die Verbindung zwischen der porösen PDMS-Schicht und der anderen Elektrodenschicht abzuschließen.
      Anmerkungen: Eine Abbildung des endgültigen Sensors ist in Abbildung 1I dargestellt. Abbildungen des Aufbaus und der Materialien des Sensors sind in Abbildung 1J dargestellt.

2. Experimenteller Prozess der Charakterisierung der Sensorleistung

1. Aufbau der Schrittdruckbelastung und Datenerfassungssystem
   1. Verwenden Sie einen 3D-gedruckten Eindringkörper mit einer Ladefläche von einem Kreis von 2,5 cm Durchmesser für die Druckbelastung (siehe Materialtabelle) des zu prüfenden Sensors.
   2. Fixieren Sie den Eindringkörper auf einem vertikalen linearen beweglichen Tisch, der von einem Schrittmotor (siehe Materialtabelle) über einen Standard-Zugdrucksensor gesteuert wird.
   3. Messen Sie die Kapazität des weich-kapazitiven Drucksensors mit einem LCR-Messgerät, während Sie die Standarddruckdaten mit einem Datenerfassungsgerät (DAQ) aufzeichnen. Schließen Sie sowohl das LCR-Messgerät als auch die Datenerfassung an einen Computer an, auf dem das Datenprotokollierungsprogramm LabVIEW ausgeführt wird (siehe Materialtabelle).
      HINWEIS: Abbildungen des Versuchsaufbaus sind in Abbildung 2 dargestellt. Zwischen dem Eindringkörper und dem serienmäßigen Zugdrucksensor wird eine Feder angelegt, die die vertikale Verschiebung des Linearverschiebetisches in Belastungsdruck umwandelt.
2. Testen der Erfassungsleistung
   1. Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt. Zeichnen Sie die Kapazitäts- und Standarddruckdaten auf, indem Sie die Belastungskraft in jedem aufeinanderfolgenden Belastungszyklus mit dem gleichen Intervall erhöhen, bis der Belastungsdruck 40 N (~80 kPa) erreicht.
   2. Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um den gleichen Abstand wie im letzten Schritt vertikal nach oben bewegt. Zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf, nachdem sich der Eindringkörper stabilisiert hat. Wiederholen Sie den Vorgang, indem Sie die Belastungskraft im gleichen Intervall verringern. in jedem aufeinanderfolgenden Ladezyklus sinkt der Ladedruck auf 0 N.
   3. Steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt. Zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf. Wiederholen Sie die Be- und Entladetests für 2.500 Zyklen, während Sie die Kapazität des Prüflings (DUT) in Abhängigkeit vom Standarddruckwert aufzeichnen.
   4. Kontrollieren Sie den Eindringkörper, um schnell nach unten zu drücken und einige Sekunden lang ruhig zu bleiben, bevor er zur 0-N-Belastung zurückkehrt. Wiederholen Sie dies fünfmal und notieren Sie die Kapazität als Funktion der Zeit.

Ergebnisse

Das Foto der porösen Plätzchenzucker/Erythrit-Matrize ist in Abbildung 3A dargestellt. Abbildung 3B zeigt die flexible Elektrodenschicht mit einem kratzbeschichteten ECPCs-Muster. Abbildung 3C zeigt den weich-kapazitiven Drucksensor mit einer porösen dielektrischen Schicht, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde. Es wurden vier poröse dielektrische PDMS-Schichten auf Basis von PDMS/Toluol-Lösu...

Diskussion

In dieser Arbeit wird eine einfache Methode vorgeschlagen, die auf der Verdampfung von Lösungsmitteln basiert, um die Porosität zu kontrollieren, und eine Reihe von experimentellen Ergebnissen hat ihre Machbarkeit bewiesen. Obwohl die poröse Struktur im flexiblen kapazitiven Drucksensor weit verbreitet ist, muss die Porositätskontrolle noch weiter optimiert werden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden zur Änderung der Partikelgröße des PFA 11,12,13,18,19 und des Verhältnisses von Polymersubstrat zu PFA

Materialien

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