Amélioration de la sensibilité de capteurs de pression capacitifs souples à l’aide d’une technique de contrôle de porosité basée sur l’évaporation de solvant

Résumé

Une méthode de fabrication simple et rentable basée sur la technique d’évaporation du solvant est présentée pour optimiser les performances d’un capteur de pression capacitif souple, qui est activé par le contrôle de la porosité dans la couche diélectrique en utilisant différents rapports de masse de la solution de moulage PDMS / toluène.

Résumé

Les capteurs de pression douce jouent un rôle important dans le développement de la sensation tactile « homme-machine » dans la robotique douce et les interfaces haptiques. Plus précisément, les capteurs capacitifs avec des matrices polymères microstructurées ont été explorés avec un effort considérable en raison de leur sensibilité élevée, de leur large plage de linéarité et de leur temps de réponse rapide. Cependant, l’amélioration des performances de détection repose souvent sur la conception structurelle de la couche diélectrique, ce qui nécessite des installations de microfabrication sophistiquées. Cet article décrit une méthode simple et peu coûteuse pour fabriquer des capteurs de pression capacitifs poreux avec une sensibilité améliorée en utilisant la méthode basée sur l’évaporation de solvant pour régler la porosité. Le capteur est constitué d’une couche diélectrique poreuse de polydiméthylsiloxane (PDMS) liée à des électrodes supérieures et inférieures en composites polymères conducteurs élastiques (ECPC). Les électrodes ont été préparées en recouvrant la boue conductrice PDMS dopée à des nanotubes de carbone (NTC) dans des films PDMS à motif de moule. Afin d’optimiser la porosité de la couche diélectrique pour améliorer les performances de détection, la solution PDMS a été diluée avec du toluène de différentes fractions massiques au lieu de filtrer ou de broyer l’agent de formation des pores du sucre (PFA) en différentes tailles. L’évaporation du solvant toluène a permis la fabrication rapide d’une couche diélectrique poreuse avec des porosités contrôlables. Il a été confirmé que la sensibilité pouvait être multipliée par deux lorsque le rapport toluène/PDMS passait de 1:8 à 1:1. La recherche proposée dans ce travail permet une méthode peu coûteuse de fabrication de préhenseurs robotiques souples bioniques entièrement intégrés avec des mécanorécepteurs sensoriels souples de paramètres de capteur accordables.

Introduction

Ces dernières années, les capteurs de pression flexibles ont attiré l’attention en raison de leur application indispensable dans la robotique douce ^1,2,3, les interfaces haptiques « homme-machine » ^4,5 et la surveillance de la santé 6,7,8. Généralement, les mécanismes de détection de pression comprennent piézorésistif 1,4,7, piézoélectrique ^2,6, capacitif 2,3,9,10,11,12,13 et triboélectrique 8 Capteurs. Parmi eux, les capteurs de pression capacitifs se distinguent comme l’une des méthodes les plus prometteuses en détection tactile en raison de leur sensibilité élevée, de leur faible limite de détection (LOD), etc.

Pour de meilleures performances de détection, diverses microstructures telles que les micro-pyramides 2,9,14, les micro-piliers 15 et les micro-pores ^{9,10,11,12,13,16,17} ont été introduites dans les capteurs de pression capacitifs flexibles^, et les méthodes de fabrication ont également été optimisées pour améliorer encore la détection. les performances de ces structures. Cependant, la plupart de ces structures nécessitent des installations de microfabrication sophistiquées, ce qui augmente considérablement les coûts de fabrication et les difficultés opérationnelles. Par exemple, en tant que microstructure la plus couramment utilisée dans les capteurs de pression douce, les micropyramides reposent sur des plaquettes de Si lithographiquement définies et gravées par voie humide comme modèle de moulage, ce qui nécessite un équipement de précision et un environnement de salle blanche strict ^9,14. Par conséquent, les structures microporeuses (structures poreuses) qui peuvent être fabriquées par des procédés de fabrication simples et avec des matières premières à faible coût tout en maintenant des performances de détection élevées ont attiré une attention croissante récemment 9,10,11,12,13,16,17 . Cela sera discuté, ainsi que les inconvénients de la modification du PFA et de sa quantité, comme motivation pour utiliser notre méthode de contrôle des fractions.

Ici, ce travail propose une méthode simple et peu coûteuse basée sur la technique d’évaporation du solvant pour fabriquer un capteur de pression capacitif flexible poreux avec une porosité contrôlable. Le processus de fabrication complet comprend la fabrication de la couche diélectrique PDMS poreuse, le revêtement par éraflure des électrodes et le collage de trois couches fonctionnelles. Plus précisément, ce travail utilise de manière innovante une solution mixte PDMS/toluène avec un certain rapport de masse pour fabriquer la couche diélectrique PDMS poreuse basée sur le modèle de mélange sucre/érythritol. Pendant ce temps, une taille uniforme des particules de PFA assure une morphologie et une distribution uniformes des pores; ainsi, la porosité peut être contrôlée en modifiant le rapport de masse PDMS/toluène. Les résultats expérimentaux montrent que la sensibilité du capteur de pression proposé peut être multipliée par plus de deux en augmentant le rapport de masse PDMS/toluène de 1:8 à 1:1. La variation de l’épaisseur de la paroi des micropores due aux différents rapports de masse PDMS/toluène est également confirmée par des images au microscope optique. Le capteur de pression capacitif souple optimisé affiche des performances de détection élevées avec une sensibilité et un temps de réponse de 3,47% kPa⁻¹ et 0,2 s, respectivement. Cette méthode permet de fabriquer rapidement, à faible coût et facilement une couche diélectrique poreuse avec une porosité contrôlable.

Protocole

1. Fabrication du capteur de pression capacitif souple avec une couche diélectrique PDMS poreuse

1. Fabrication de la couche diélectrique PDMS poreuse
   1. Préparez le modèle poreux sucre/érythritol en suivant les étapes ci-dessous.
      1. Filtrer le sucre avec des tamis d’échantillon avec des ouvertures de 270 μm et 500 μm. Choisissez du sucre avec un diamètre de particules compris entre 270 et 500 μm.
         NOTE: Une taille de particules de sucre plus grande ou plus petite est également acceptable tant que l’uniformité se situe dans les limites de tolérance. Le diamètre de la particule de sucre affectera la taille des pores de la couche poreuse PDMS fabriquée dans une étape ultérieure, mais ne déterminera pas complètement la taille des pores.
      2. Broyer l’érythritol (voir le tableau des matières) en poudre pour assurer un mélange plus uniforme avec le sucre.
      3. Peser une certaine quantité de sucre filtré et de poudre d’érythritol avec un rapport massique de 20:1. Secouez pour les mélanger uniformément.
      4. Remplir le mélange sucre/érythritol dans un moule métallique sucre/érythritol obtenu commercialement (voir le tableau des matières). Appuyez sur la surface pour rendre la charge compacte.
         REMARQUE: Pour assurer une démolition facile à l’étape suivante, une couche de feuille d’aluminium peut être placée dans le moule avant le sucre / érythritol.
      5. Chauffer le moule avec le mélange sucre/érythritol dans une étuve à convection à 135 °C pendant 2 h, comme le montre la figure 1A. Après refroidissement à température ambiante, retirer le sucre en morceaux (c.-à-d. le gabarit poreux).
   2. Fabriquez la couche diélectrique PDMS contrôlable par porosité.
      1. Peser 5 g de toluène, 5 g de base PDMS et 0,5 g d’agent de durcissement PDMS (voir le tableau des matières) dans un tube centrifuge (c.-à-d. le rapport massique de PDMS base/toluène/agent de durcissement est de 10:10:1). Remuer la solution uniformément.
         NOTE: Le rapport massique de la solution de base PDMS à l’agent de durcissement est fixé à 10: 1, tandis que le rapport massique du PDMS au toluène est utilisé pour contrôler la porosité de la couche diélectrique PDMS. La porosité diminue lorsque la fraction PDMS augmente. La porosité minimale est obtenue lorsqu’aucun toluène n’est ajouté.
      2. Centrifuger la solution à 875 x g pendant 30 s à température ambiante pour éliminer les bulles d’air.
         REMARQUE: Si le volume de solution est important, la solution peut être préparée dans un bécher. Le traitement centrifuge est remplacé par un dégazage sous vide pendant 15 min.
      3. Placer le gabarit poreux carré sucre/érythritol obtenu à l’étape 1.1.1 dans une boîte de Pétri. Insérez du ruban adhésif double face comme entretoises sous les quatre coins pour soulever le gabarit de la surface de la boîte de Pétri.
         REMARQUE: Le modèle peut également être placé sur une plaquette Si, mais cette méthode conduira à une couche plus épaisse de PDMS sur l’interface entre le modèle et la tranche de Si, ce qui peut affecter les performances du capteur.
      4. Verser la solution PDMS/toluène sur le gabarit et incliner légèrement la boîte de Petri de manière à ce que la solution puisse combler complètement tous les espaces entre les particules de sucre, comme le montre la figure 1B.
      5. Placer la boîte de Petri avec le gabarit poreux rempli de solution PDMS/toluène dans un dessiccateur sous vide et dégazer pendant 20 min.
      6. Transférer la boîte de Petri du dessiccateur sous vide dans l’étuve à 90 °C pendant 45 min pour évaporer le toluène et durcir le PDMS liquide.
      7. Immergez le PDMS durci incorporé dans le gabarit poreux dans de l’eau désionisée (eau DI), comme illustré à la figure 1C. Chauffer sur une plaque chauffante à 140 °C jusqu’à ce que la matrice de sucre se dissolve complètement. Nettoyez le PDMS poreux avec de l’eau DI.
2. Fabrication des couches d’électrodes flexibles à base d’ECPC
   1. Synthétiser l’encre ECPC.
      1. Peser 0,16 g de NTC (diamètre: 10-20 nm, longueur: 10-30 μm, voir le tableau des matières) et 4 g de toluène dans un bécher, et agiter magnétiquement à 250 tr/min pendant 1,5 h. Pendant ce temps, peser 2 g de base PDMS et 2 g de toluène dans un bécher, et agiter magnétiquement à 200 tr/min pendant 1 h. Couvrir le bécher d’un film d’étanchéité en remuant pour éviter l’évaporation du solvant.
      2. Mélanger la suspension NTC/toluène avec la solution PDMS base/toluène et couvrir le bécher d’un film d’étanchéité. Remuer magnétiquement à 250 tr/min pendant 2 h.
      3. Ajouter 0,2 g d’agent de durcissement PDMS dans la solution mélangée. Agiter magnétiquement à 75 °C et 250 tr/min pendant 1 h. Découvrir le bécher pour l’évaporation du solvant et la concentration de la suspension lors de l’agitation, comme illustré à la figure 1D, E.
         NOTE: La durée d’agitation et de chauffage est réglable. La viscosité du mélange augmente avec le temps d’agitation, ce qui facilite l’opération de revêtement par éraflure suivante. Cependant, la durée ne doit pas être trop longue pour empêcher la solution PDMS de durcir. Lorsque le mélange est concentré à une viscosité pratique pour le revêtement par grattage, le processus de synthèse de l’encre ECPC est terminé.
   2. Grattez les électrodes en suivant les étapes ci-dessous.
      1. Peser le toluène, la base PDMS et l’agent de durcissement PDMS dans un tube centrifuge avec un rapport de masse de 2:10:1. Remuer la solution uniformément.
      2. Centrifuger la solution à 875 x g pendant 30 s à température ambiante pour éliminer les bulles d’air.
      3. Verser 1,3 g de solution PDMS/toluène dans un moule métallique à électrode obtenu commercialement (voir le tableau des matériaux) avec un motif d’électrode en relief, comme illustré à la figure 1F.
         REMARQUE: Le motif en relief au bas du moule a une épaisseur de 0,2 mm.
      4. Placez le moule dans un dessiccateur sous vide et dégazez pendant 10 min.
      5. Durcir le PDMS dans le moule sur une plaque chauffante à 90 °C pendant 15 min. Décollez le film PDMS à motifs après refroidissement à température ambiante.
      6. Fixez le côté plat du film PDMS sur une plaquette de Si (c’est-à-dire exposez le côté avec le motif de l’électrode). Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air entre le film PDMS et la tranche de Si.
      7. Gratter l’encre ECPC préparée à l’étape 1.2.1 dans le diagramme d’électrode, comme le montre la figure 1G . Nettoyez l’encre excessive avec une lingette sans poussière imbibée d’alcool isopropylique (IPA).
      8. Durcir l’encre ECPC sur une plaque chauffante à 90 °C pendant 15 min.
      9. Répétez les étapes 1.2.2.3-1.2.2.8 pour fabriquer les couches supérieure et inférieure des électrodes.
3. Collage et conditionnement des capteurs capacitifs souples
   1. Fixez le fil métallique (voir le tableau des matériaux) à l’électrode. Déposez de la peinture conductrice d’argent (voir le tableau des matériaux) à l’emplacement de la connexion pour assurer une bonne conductivité, comme le montre la figure 1H. Attendez que la peinture conductrice d’argent sèche à température ambiante.
   2. Déposez la solution PDMS liquide préparée à l’étape 1.2.2.1 sur le raccord pour sceller complètement la peinture conductrice d’argent séchée. Durcir le PDMS sur une plaque chauffante à 90 °C pendant 15 min.
   3. Répétez les étapes 1.3.1-1.3.2 pour connecter le fil des couches d’électrode supérieure et inférieure.
   4. Appliquer uniformément une fine couche de PDMS liquide préparée à l’étape 1.2.2.1 sur le film d’électrode en tant que couche d’adhésion pour la liaison entre la couche d’électrode et la couche diélectrique.
   5. Placer la couche diélectrique PDMS poreuse fabriquée à l’étape 1.1.2 sur la couche d’électrodes.
   6. Durcir la colle PDMS sur une plaque chauffante à 95 °C pendant 10 min. Placez une boîte de Petri en verre sur le PDMS poreux pour assurer un bon contact entre les deux couches pendant le chauffage.
   7. Répétez l’étape 1.3.4 pour l’autre couche d’électrode. Inverser la couche électrode-diélectrique liée obtenue à l’étape 1.3.6 et la placer sur l’autre couche d’électrode unique (c’est-à-dire pour avoir la couche PDMS poreuse en contact direct avec la couche d’électrode). Assurez-vous que les deux électrodes sont strictement alignées l’une à l’opposé de l’autre.
   8. Répétez l’étape 1.3.6 pour terminer la liaison entre la couche PDMS poreuse et l’autre couche d’électrode.
      REMARQUE : Une illustration du capteur final est illustrée à la figure 1I. Des illustrations de la structure et des matériaux du capteur sont présentées à la figure 1J.

2. Processus expérimental de caractérisation des performances des capteurs

1. Configuration de la charge de pression pas à pas et système d’acquisition de données
   1. Utilisez un pénétrateur imprimé en 3D avec une zone de chargement d’un cercle de 2,5 cm de diamètre pour la charge sous pression (voir le tableau des matériaux) du capteur à l’essai.
   2. Fixez le pénétrateur sur une platine mobile linéaire verticale contrôlée par un moteur pas à pas (voir le tableau des matériaux) au moyen d’un capteur de pression de traction standard.
   3. Mesurez la capacité du capteur de pression capacitif souple avec un compteur LCR tout en enregistrant les données de pression standard à l’aide d’un dispositif d’acquisition de données (DAQ). Connectez le compteur LCR et le DAQ à un ordinateur exécutant le programme d’enregistrement de données LabVIEW (voir Table des matériaux).
      NOTE: Des illustrations de la configuration expérimentale sont présentées à la figure 2. Un ressort est appliqué entre le pénétrateur et le capteur de pression de traction standard, qui convertit le déplacement vertical de l’étage mobile linéaire en pression de charge.
2. Test des performances de détection
   1. Contrôlez le moteur pas à pas pour entraîner le pénétrateur à descendre verticalement d’une distance programmée. Enregistrer la capacité et les données de pression standard en augmentant la force de charge avec le même intervalle dans chaque cycle de charge consécutif jusqu’à ce que la pression de charge atteigne 40 N (~80 kPa).
   2. Contrôlez le moteur pas à pas pour entraîner le pénétrateur à se déplacer verticalement vers le haut de la même distance que dans la dernière étape. Enregistrer la capacité et les données de pression standard après stabilisation du pénétrateur. Répéter l’opération en diminuant la force de chargement avec le même intervalle; à chaque cycle de chargement consécutif, la pression de charge tombe à 0 N.
   3. Contrôlez le moteur pas à pas pour entraîner le pénétrateur à descendre verticalement d’une distance programmée. Enregistrez la capacité et les données de pression standard. Répéter les essais de chargement et de déchargement pendant 2 500 cycles tout en enregistrant la capacité de l’appareil soumis à l’essai (DUT) en fonction de la lecture de pression standard.
   4. Contrôlez le pénétrateur pour appuyer rapidement et rester stable pendant quelques secondes avant de revenir à la charge 0 N. Répétez cette opération cinq fois et notez la capacité en fonction du temps.

Résultats

La photographie du gabarit poreux sucre et érythritol en morceaux est illustrée à la figure 3A. La figure 3B montre la couche d’électrode flexible avec un motif de CPEC recouvert de grattage. La figure 3C montre le capteur de pression capacitif souple avec une couche diélectrique poreuse fabriquée avec la méthode proposée. Quatre couches diélectriques PDMS poreuses ont été fabriquées sur la base de so...

Discussion

Ce travail propose une méthode simple basée sur l’évaporation du solvant pour contrôler la porosité, et une série de résultats expérimentaux ont prouvé sa faisabilité. Bien que la structure poreuse ait été largement utilisée dans le capteur de pression capacitif flexible, le contrôle de la porosité doit encore être optimisé. Contrairement aux méthodes existantes pour modifier la taille des particules du PFA 11,12,13,18,19 et le rapport du substrat polymère au PFA

matériels

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