Aumento da sensibilidade de sensores de pressão capacitivos macios usando uma técnica de controle de porosidade baseada em evaporação de solvente

Resumo

Um método de fabricação simples e econômico baseado na técnica de evaporação de solvente é apresentado para otimizar o desempenho de um sensor de pressão capacitivo macio, que é possibilitado pelo controle de porosidade na camada dielétrica usando diferentes razões de massa da solução de moldagem PDMS/tolueno.

Resumo

Os sensores de pressão suave desempenham um papel significativo no desenvolvimento da sensação tátil "homem-máquina" em robótica suave e interfaces hápticas. Especificamente, sensores capacitivos com matrizes poliméricas micro-estruturadas têm sido explorados com considerável esforço devido à sua alta sensibilidade, ampla faixa de linearidade e rápido tempo de resposta. No entanto, a melhoria do desempenho de detecção muitas vezes depende do projeto estrutural da camada dielétrica, que requer instalações sofisticadas de microfabricação. Este artigo relata um método simples e de baixo custo para fabricar sensores de pressão capacitivos porosos com sensibilidade melhorada usando o método baseado em evaporação de solvente para ajustar a porosidade. O sensor consiste em uma camada dielétrica porosa de polidimetilsiloxano (PDMS) colada com eletrodos superior e inferior feitos de compósitos poliméricos condutores elásticos (ECPCs). Os eletrodos foram preparados por lama condutora de PDMS dopada com nanotubos de carbono (CNTs) em filmes de PDMS padronizados por molde. Para otimizar a porosidade da camada dielétrica para melhorar o desempenho de sensoriamento, a solução de PDMS foi diluída com tolueno de diferentes frações mássicas em vez de filtrar ou moer o agente formador de poros de açúcar (PFA) em diferentes tamanhos. A evaporação do solvente tolueno permitiu a rápida fabricação de uma camada dielétrica porosa com porosidades controláveis. Confirmou-se que a sensibilidade poderia ser aumentada mais duas vezes quando a relação tolueno/PDMS foi aumentada de 1:8 para 1:1. A pesquisa proposta neste trabalho possibilita um método de baixo custo de fabricação de pinças robóticas macias biônicas totalmente integradas com mecanorreceptores sensoriais macios de parâmetros de sensores sintonizáveis.

Introdução

Nos últimos anos, sensores flexíveis de pressão vêm chamando a atenção devido à sua indispensável aplicação em robótica suave ^1,2,3, interfaces hápticas "homem-máquina" ^4,5 e monitoramento de saúde 6,7,8. Geralmente, os mecanismos de detecção de pressão incluem piezoresistiva 1,4,7, piezelétrica ^2,6, capacitiva

Protocolo

1. Fabricação do sensor de pressão capacitivo macio com uma camada dielétrica porosa de PDMS

1. Fabricação da camada dielétrica porosa de PDMS
   1. Prepare o modelo poroso de açúcar/eritritol seguindo os passos abaixo.
      1. Filtrar o açúcar com peneiras de amostra com aberturas de 270 μm e 500 μm. Escolha açúcar com diâmetro de partícula na faixa de 270-500 μm.
         NOTA: Um tamanho de partícula de açúcar maior ou menor também é aceitável, desde que a uniformidade esteja dentro dos limites de tolerância. O diâmetro da partícula de açúcar afetará o tamanho dos poros da camada porosa de PDMS fabricada em uma etapa posterior, mas não determinará....

Resultados

A fotografia do molde poroso de açúcar/eritritol é mostrada na Figura 3A. A Figura 3B mostra a camada de eletrodos flexíveis com um padrão de ECPCs revestidos com raspagem. A Figura 3C mostra o sensor de pressão capacitivo macio com uma camada dielétrica porosa fabricada com o método proposto. Quatro camadas dielétricas porosas de PDMS foram fabricadas à base de soluções PDMS/tolueno com diferentes rela.......

Discussão

Este trabalho propõe um método simples baseado na evaporação de solventes para controlar a porosidade, e uma série de resultados experimentais comprovaram sua viabilidade. Embora a estrutura porosa tenha sido amplamente utilizada no sensor de pressão capacitivo flexível, o controle da porosidade ainda necessita de maior otimização. Ao contrário dos métodos existentes para alterar o tamanho das partículas do PFA 11,12,13,18,19 e a proporção de substrato polimérico para PFA

Materiais

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