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

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 poreus....

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