Name: sensitivity enhancement of soft capacitive pressure sensors using a solvent evaporation-based porosity control technique
Uploaded: 2023-03-24T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Sensitivity Enhancement of Soft Capacitive Pressure Sensors Using a Solvent Evaporation-Based Porosity Control Technique at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.

1. Fremstilling af den bløde kapacitive tryksensor med et porøst PDMS dielektrisk lag
<ol><li>Fremstilling af det porøse PDMS dielektriske lag<ol><li>Forbered sukker / erythritol porøs skabelon ved at følge nedenstående trin.<ol><li>Sukkeret filtreres med prøvesigter med åbninger på 270 μm og 500 μm. Vælg sukker med en partikeldiameter i området 270-500 μm. BEMÆRK: En større eller mindre sukkerpartikelstørrelse er også acceptabel, så længe ensartetheden er inden for tolerancegræ...

<ol>
	<li>Ozioko, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SensAct:+The+soft+and+squishy+tactile+Sensor+with+integrated+flexible+actuator.">SensAct: The soft and squishy tactile Sensor with integrated flexible actuator.</a> Advanced Intelligent Systems. 3 (3), 1900145 (2021).</li><li>Qiu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+biomimetic+drosera+capensis+with+adaptive+decision-predation+behavior+based+on+multifunctional+sensing+and+fast+actuating+capability.">A biomimetic drosera capensis with adaptive decision-predation behavior based on multifunctional sensing and fast actuating capability.</a> Advanced Functional Materials. 32 (13), 2110296 (2021).</li><li>Ntagios, M., Nassar, H., Pullanchiyodan, A., Navaraj, W. T., Dahiya, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic+hands+with+intrinsic+tactile+sensing+via+3D+printed+soft+pressure+sensors.">Robotic hands with intrinsic tactile sensing via 3D printed soft pressure sensors.</a> Advanced Intelligent Systems. 2 (6), 1900080 (2019).</li><li>Tang, Z., Jia, S., Zhou, C., Li, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Printing+of+highly+sensitive+and+large-measurement-range+flexible+pressure+sensors+with+a+positive+piezoresistive+effect.">3D Printing of highly sensitive and large-measurement-range flexible pressure sensors with a positive piezoresistive effect.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (25), 28669-28680 (2020).</li><li>Dai, Y., Chen, J., Tian, W., Xu, L., Gao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+PVDF/Au/PEN+multifunctional+flexible+human-machine+interface+for+multidimensional+sensing+and+energy+harvesting+for+the+internet+of+things.">A PVDF/Au/PEN multifunctional flexible human-machine interface for multidimensional sensing and energy harvesting for the internet of things.</a> IEEE Sensors Journal. 20 (14), 7556-7568 (2020).</li><li>Yang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+piezoelectric+pressure+sensor+based+on+polydopamine-modified+BaTiO3/PVDF+composite+film+for+human+motion+monitoring.">Flexible piezoelectric pressure sensor based on polydopamine-modified BaTiO3/PVDF composite film for human motion monitoring.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 301, 111789 (2020).</li><li>Gao, Y. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+microfluidic+diaphragm+pressure+sensor+for+health+and+tactile+touch+monitoring.">Wearable microfluidic diaphragm pressure sensor for health and tactile touch monitoring.</a> Advanced Materials. 29 (39), 1701985 (2017).</li><li>Meng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+weaving+constructed+self-powered+pressure+sensor+enabling+continuous+diagnosis+of+cardiovascular+disease+and+measurement+of+cuffless+blood+pressure.">Flexible weaving constructed self-powered pressure sensor enabling continuous diagnosis of cardiovascular disease and measurement of cuffless blood pressure.</a> Advanced Functional Materials. 29 (5), 180688 (2019).</li><li>Yang, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructured+porous+pyramid-based+ultrahigh+sensitive+pressure+sensor+insensitive+to+strain+and+temperature.">Microstructured porous pyramid-based ultrahigh sensitive pressure sensor insensitive to strain and temperature.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (21), 19472-19480 (2019).</li><li>Chen, S., Zhuo, B., Guo, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+area+one-step+facile+processing+of+microstructured+elastomeric+dielectric+film+for+high+sensitivity+and+durable+sensing+over+wide+pressure+range.">Large area one-step facile processing of microstructured elastomeric dielectric film for high sensitivity and durable sensing over wide pressure range.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 8 (31), 20364-20370 (2016).</li><li>Ding, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+the+pore+size+on+the+sensitivity+of+flexible+and+wearable+pressure+sensors+based+on+porous+Ecoflex+dielectric+layers.">Influence of the pore size on the sensitivity of flexible and wearable pressure sensors based on porous Ecoflex dielectric layers.</a> Materials Research Express. 6 (6), 066304 (2019).</li><li>Yoon, J. I., Choi, K. S., Chang, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+means+of+fabricating+microporous+structures+for+the+dielectric+layers+of+capacitive+pressure+sensor.">A novel means of fabricating microporous structures for the dielectric layers of capacitive pressure sensor.</a> Microelectronic Engineering. 179, 60-66 (2017).</li><li>Wang, J., Li, L., Zhang, L., Zhang, P., Pu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+capacitive+pressure+sensors+with+micro-patterned+porous+dielectric+layer+for+wearable+electronics.">Flexible capacitive pressure sensors with micro-patterned porous dielectric layer for wearable electronics.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 32 (3), 034003 (2022).</li><li>Mannsfeld, S. C. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+sensitive+flexible+pressure+sensors+with+microstructured+rubber+dielectric+layers.">Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers.</a> Nature Materials. 9 (10), 859-864 (2010).</li><li>Wan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+highly+sensitive+flexible+capacitive+tactile+sensor+with+sparse+and+high-aspect-ratio+microstructures.">A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high-aspect-ratio microstructures.</a> Advanced Electronic Materials. 4 (4), 1700586 (2018).</li><li>Kwon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+sensitive,+flexible,+and+wearable+pressure+sensor+based+on+a+giant+piezocapacitive+effect+of+three-dimensional+microporous+elastomeric+dielectric+layer.">Highly sensitive, flexible, and wearable pressure sensor based on a giant piezocapacitive effect of three-dimensional microporous elastomeric dielectric layer.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 8 (26), 16922-16931 (2016).</li><li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+porous+and+air+gap+elastomeric+dielectric+layer+for+wearable+capacitive+pressure+sensor+with+high+sensitivity+and+a+wide+detection+range.">A porous and air gap elastomeric dielectric layer for wearable capacitive pressure sensor with high sensitivity and a wide detection range.</a> Journal of Materials Chemistry C. 8 (33), 11468-11476 (2020).</li><li>Kim, J. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+ordered+3D+microstructure-based+electronic+skin+capable+of+differentiating+pressure,+temperature,+and+proximity.">Highly ordered 3D microstructure-based electronic skin capable of differentiating pressure, temperature, and proximity.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (1), 1503-1511 (2019).</li><li>Lo, L. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+soft+sponge+sensor+for+multimodal+sensing+and+distinguishing+of+pressure,+strain,+and+temperature.">A soft sponge sensor for multimodal sensing and distinguishing of pressure, strain, and temperature.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 14 (7), 9570-9578 (2022).</li><li>Hwang, J., Kim, Y., Yang, H., Oh, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+hierarchically+porous+structured+PDMS+composites+and+their+application+as+a+flexible+capacitive+pressure+sensor.">Fabrication of hierarchically porous structured PDMS composites and their application as a flexible capacitive pressure sensor.</a> Composites Part B: Engineering. 211, 108607 (2021).</li><li>Jung, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Linearly+sensitive+pressure+sensor+based+on+a+porous+multistacked+composite+structure+with+controlled+mechanical+and+electrical+properties.">Linearly sensitive pressure sensor based on a porous multistacked composite structure with controlled mechanical and electrical properties.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 13 (24), 28975-28984 (2021).</li><li>Choi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synergetic+effect+of+porous+elastomer+and+percolation+of+carbon+nanotube+filler+toward+high+performance+capacitive+pressure+sensors.">Synergetic effect of porous elastomer and percolation of carbon nanotube filler toward high performance capacitive pressure sensors.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (1), 1698-1706 (2020).</li><li>Choi, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+polydimethylsiloxane+(PDMS)+sponge+for+the+selective+absorption+of+oil+from+water.">A polydimethylsiloxane (PDMS) sponge for the selective absorption of oil from water.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 3 (12), 4552-4556 (2011).</li><li>Rinaldi, A., Tamburrano, A., Fortunato, M., Sarto, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+flexible+and+highly+sensitive+pressure+sensor+based+on+a+PDMS+foam+coated+with+graphene+nanoplatelets.">A flexible and highly sensitive pressure sensor based on a PDMS foam coated with graphene nanoplatelets.</a> Sensors. 16 (12), 2148 (2016).</li></ol>

Dette arbejde foreslår en simpel metode baseret på opløsningsmiddelfordampning til kontrol af porøsiteten, og en række eksperimentelle resultater har vist sig gennemførlige. Selvom den porøse struktur er blevet brugt i vid udstrækning i den fleksible kapacitive tryksensor, har porøsitetskontrollen stadig brug for yderligere optimering. I modsætning til eksisterende metoder til ændring af partikelstørrelsen af PFA 11,12,13,18,19 og forholdet mellem polymersubstrat og PFA <sup class="xre...

I de senere år har fleksible tryksensorer tiltrukket opmærksomhed på grund af deres uundværlige anvendelse i blød robotik 1,2,3, "menneske-maskine" haptiske grænseflader4,5 og sundhedsovervågning 6,7,8. Generelt omfatter mekanismerne til tryksensing piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapacitiv 2,3,9,10,11,12,13 og triboelektrisk 8 Sensorer. Blandt dem skiller kapacitive tryksensorer sig ud som en af de mest lovende metoder inden for taktil sensing på grund af deres høje følsomhed, lave detektionsgrænse (LOD) osv.
For bedre sensorydelse er forskellige mikrostrukturer såsom mikropyramider 2,9,14, mikrosøjler 15 og mikroporer9,10,11,12,13,16,17 blevet introduceret til fleksible kapacitive tryksensorer, og fremstillingsmetoderne er også optimeret til yderligere at forbedre sensoren forestillinger af sådanne strukturer. Imidlertid kræver de fleste af disse strukturer sofistikerede mikrofabrikationsfaciliteter, hvilket øger produktionsomkostningerne og driftsvanskelighederne betydeligt. For eksempel, som den mest almindeligt anvendte mikrostruktur i bløde tryksensorer, er mikropyramider afhængige af litografisk definerede og vådætsede Si-skiver som støbeskabelon, hvilket kræver præcisionsudstyr og et strengt renrumsmiljø 9,14. Derfor har mikroporestrukturer (porøse strukturer), der kan fremstilles ved enkle fabrikationsprocesser og med billige råmaterialer, samtidig med at der opretholdes høje sensorpræstationer, tiltrukket stigende opmærksomhed for nylig 9,10,11,12,13,16,17. Dette vil blive diskuteret, sammen med ulemperne ved at ændre PFA og dens mængde, som motivation for at bruge vores fraktionskontrolmetode.
Heri foreslår dette arbejde en enkel og billig metode baseret på opløsningsmiddel-fordampningsteknikken til fremstilling af en porøs fleksibel kapacitiv tryksensor med kontrollerbar porøsitet. Den komplette fremstillingsproces inkluderer fremstilling af det porøse PDMS dielektriske lag, skrabebelægningen af elektroderne og bindingen af tre funktionelle lag. Specifikt bruger dette arbejde innovativt en PDMS / toluen blandet opløsning med et bestemt masseforhold til at fremstille det porøse PDMS dielektriske lag baseret på sukker / erythritolblandingsskabelonen. I mellemtiden sikrer en ensartet PFA-partikelstørrelse ensartet poremorfologi og fordeling; porøsiteten kan således styres ved at ændre PDMS / toluenmasseforholdet. De eksperimentelle resultater viser, at følsomheden af den foreslåede tryksensor kan forbedres mere end det dobbelte ved at øge PDMS / toluenmasseforholdet fra 1: 8 til 1: 1. Variationen i mikroporevægtykkelsen på grund af forskellige PDMS / toluen-masseforhold bekræftes også af optiske mikroskopbilleder. Den optimerede bløde kapacitive tryksensor viser en høj sensorydelse med en følsomhed og responstid på henholdsvis 3,47% kPa-1 og 0,2 sek. Denne metode opnår hurtig, billig og nem fremstilling af et porøst dielektrisk lag med kontrollerbar porøsitet.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd</td>
			<td>X-MAX</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printing metarials</td>
			<td>Zhejiang Qidi Technology Co., Ltd</td>
			<td>3D Printing Filament PLA 1.75 mm</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon nanotubes (CNTs)</td>
			<td>XFNANO</td>
			<td>XFM13</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition (DAQ)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB6002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double side tape</td>
			<td>Minnesota Mining and Manufacturing (3M)</td>
			<td>3M VHB 4910</td>
			<td>1 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode metal mold</td>
			<td>Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Erythritol</td>
			<td>Shandong Sanyuan Biotechnology Co.,Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropyl Alcohol (IPA)</td>
			<td>Sinopharm chemical reagent Co., Ltd</td>
			<td>80109218</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LabVIEW</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>LabVIEW 2019</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LCR meter</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>EA4980AL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal wire</td>
			<td>Hangzhou Hongtong WIRE&#38;CABLE Co., Ltd.</td>
			<td>2UEW/155</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Aosvi</td>
			<td>T2-3M180</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Numerical modeling software</td>
			<td>COMSOL</td>
			<td>COMSOL Multiphysics 5.6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td>
			<td>Dow Chemical Company</td>
			<td>SYLGAR 184 Silicone Elastomer Kit</td>
			<td>Two parts (base and curing agent)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sealing film</td>
			<td>Corning</td>
			<td>PM-996</td>
			<td>parafilm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafer</td>
			<td>Suzhou Crystal Silicon Electronic &#38; Technology Co.,Ltd</td>
			<td>ZK20220416-03</td>
			<td>Diameter (mm): 50.8 +/- 0.3 
			Type/Orientation: P/100 
			Thickness (&#181;m): 525 +/- 25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver conductive paint</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>12686-15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepping motor</td>
			<td>BEIJING HAI JIE JIA CHUANG Technology Co., Ltd</td>
			<td>57H B56L4-30DB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sugar/erythritol template metal mold</td>
			<td>Guangdong Shunde Molarobot Co., Ltd</td>
			<td></td>
			<td>This metal mold is a 5 mm thick square metal plate with a flat bottom square groove of 2.5 mm deep.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene</td>
			<td>Sinopharm chemical reagent Co., Ltd</td>
			<td>10022819</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

sensitivity enhancement of soft capacitive pressure sensors using a solvent evaporation-based porosity control technique

Bløde tryksensorer spiller en væsentlig rolle i udviklingen af "menneske-maskine" taktil fornemmelse i blød robotik og haptiske grænseflader. Specifikt er kapacitive sensorer med mikrostrukturerede polymermatricer blevet udforsket med betydelig indsats på grund af deres høje følsomhed, brede linearitetsområde og hurtige responstid. Imidlertid afhænger forbedringen af sensorydelsen ofte af det strukturelle design af det dielektriske lag, hvilket kræver sofistikerede mikrofabrikationsfaciliteter. Denne artikel rapporterer en enkel og billig metode til fremstilling af porøse kapacitive tryksensorer med forbedret følsomhed ved hjælp af den opløsningsmiddelfordampningsbaserede metode til at indstille porøsiteten. Sensoren består af et porøst polydimethylsiloxan (PDMS) dielektrisk lag bundet med top- og bundelektroder fremstillet af elastiske ledende polymerkompositter (ECPC'er). Elektroderne blev fremstillet ved skrabebelægning af kulstofnanorør (CNT'er) -doteret PDMS-ledende opslæmning i formmønstrede PDMS-film. For at optimere porøsiteten af det dielektriske lag for forbedret sensorydelse blev PDMS-opløsningen fortyndet med toluen af forskellige massefraktioner i stedet for at filtrere eller male det sukkerporedannende middel (PFA) i forskellige størrelser. Fordampningen af toluenopløsningsmidlet tillod hurtig fremstilling af et porøst dielektrisk lag med kontrollerbare porøsiteter. Det blev bekræftet, at følsomheden kunne forbedres mere dobbelt, når toluen til PDMS-forholdet blev øget fra 1:8 til 1:1. Den forskning, der foreslås i dette arbejde, muliggør en billig metode til fremstilling af fuldt integrerede bioniske bløde robotgribere med bløde sensoriske mekanoreceptorer af justerbare sensorparametre.

Fotografiet af den porøse skabelon for klumpet sukker/erythritol er vist i figur 3A. Figur 3B viser det fleksible elektrodelag med et skrabelagt ECPC-mønster. Figur 3C viser den bløde kapacitive tryksensor med et porøst dielektrisk lag fremstillet med den foreslåede metode. Fire porøse PDMS dielektriske lag blev fremstillet baseret på PDMS / toluenopløsninger med forskellige masseforhold på henholdsvis 1: ...

Watch this Scientific Journal Video about Sensitivity Enhancement of Soft Capacitive Pressure Sensors Using a Solvent Evaporation-Based Porosity Control Technique at JoVE.com

Sensitivity Enhancement of Soft Capacitive Pressure Sensors Using a Solvent Evaporation-Based Porosity Control Technique

En enkel og omkostningseffektiv fabrikationsmetode baseret på opløsningsmiddelfordampningsteknikken præsenteres for at optimere ydeevnen for en blød kapacitiv tryksensor, som muliggøres af porøsitetskontrol i det dielektriske lag ved hjælp af forskellige masseforhold af støbe-PDMS / toluenopløsningen.

Følsomhedsforbedring af bløde kapacitive tryksensorer ved hjælp af en opløsningsmiddelfordampningsbaseret porøsitetskontrolteknik

Soft pressure sensors play a significant role in developing &#34;man-machine&#34; tactile sensation in soft robotics and haptic interfaces. Specifically, ...

Vi foreslog en ny metode til fremstilling af fleksibel konkurrencetryksensor med kontrollerbar ydeevne. Det opnås ved at justere opløsningsmiddelmassefraktionen for at kontrollere porøsiteten af det dielektriske lag. Optimering af den konkurrencedygtige tryksensor opnås ved hjælp af en omkostningseffektiv og nem betjeningsmetode, der undgår at bruge sofistikerede mikrofabrikationsfaciliteter.For at fremstille det porøse PDMS dielektriske lag vejes filtreret sukker og erythritolpulver med et masseforhold på 20 til 1 og blandes jævnt ved omrystning. Fyld blandingen i en kommercielt opnået sukker erythritol metalform og tryk på overfladen for at gøre fyldstoffet kompakt. Opvarm blandingen i en varmluftsovn ved 135 grader Celsius i to timer.Efter opvarmning lades blandingen afkøle ved stuetemperatur, inden klumppladen sukkeret fjernes. For at fremstille det porøsitetskontrollerbare PDMS dielektriske lag skal du veje fem gram toluen, fem gram PDMS-base og 0,5 gram PDM-hærdningsmiddel i et centrifugerør og omrøre opløsningen jævnt. Centrifuger opløsningen ved 875G i 30 sekunder ved stuetemperatur for at fjerne luftbobler.Læg den firkantede sukker-erythritol porøse skabelon i en petriskål. Indsæt dobbeltklæbende tape som afstandsstykker under de fire hjørner for at løfte skabelonen fra petriskålens overflade. Hæld PDMS-toluenopløsningen i skabelonen, og skrå skålen let for at udfylde alle hullerne blandt sukkerpartiklerne.Anbring derefter skålen i en vakuumekssikkator og afgas i 20 minutter. Efter afgasning overføres fadet fra ekssikkatoren til ovnen ved 90 grader Celsius i 45 minutter for at fordampe toluen og hærde væsken PDMS. Derefter nedsænkes det hærdede PDMS indlejret i den porøse skabelon i deioniseret vand.Opvarm på en kogeplade ved 140 grader Celsius, indtil sukkerskabelonen er helt opløst, og rengør det porøse PDMS med deioniseret vand. Til fremstilling af de fleksible elektrodelag baseret på ECPC'er skal du først syntetisere ECPC-blæk ved at veje 0,16 gram kulstofnanorør eller CNT'er og fire gram toluen i et bægerglas. Bægerglasset dækkes med forseglingsfilm for at forhindre fordampning af opløsningsmiddel og omrøres magnetisk ved 250 omdr./min. i 90 minutter.Vej to gram PDMS-base og to gram toluen i et bægerglas, og læg det på en magnetisk omrører ved 200 RPM i en time. Efter tilberedning af begge opløsninger blandes CNTs-toluensuspensionen med PDMS-basistoluenopløsningen og bægerglasset dækkes med en forseglingsfilm. Rør magnetisk ved 250 o / min i to timer.Efter blanding afdækkes bægerglasset og tilsættes 0,2 gram PDMS-hærdningsmiddel i den blandede opløsning. Rør magnetisk ved 75 grader Celsius og 250 RPM i en time. For at skrabe elektroderne vejes toluen, PDMS-base og PDMS-hærdningsmiddel i et centrifugerør med et masseforhold på 2 til 10 til 1 og omrøres opløsningen jævnt.Derefter centrifugeres opløsningen ved 875G i 30 sekunder ved stuetemperatur for at fjerne luftbobler. Hæld 1,3 gram PDMS-toluenopløsning i en kommercielt opnået elektrodemetalform med et præget elektrodemønster. Anbring formen i en vakuumekssikkator og afgas i 10 minutter.Hærd derefter PDMS i formen på en kogeplade ved 90 grader Celsius i 15 minutter. Efter afkøling ved stuetemperatur skal du skrælle den mønstrede PDMS-film af. Fastgør den flade side af PDMS-filmen på en siliciumskive.Skrab-belæg ECPC'erne blæk ind i elektrodemønsteret. Hærd ECPC'ens blæk på varmeplade ved 90 grader Celsius i 15 minutter. Til limning og emballering af de bløde kapacitive sensorer fastgøres metaltråden til elektroden.Drop sølvledende maling på forbindelsesstedet for god ledningsevne, og vent, indtil den sølvledende maling tørrer. Slip PDMS-opløsningen på forbindelsen for at forsegle den tørrede sølvledende maling helt. Hærd PDMS på en kogeplade ved 90 grader Celsius i 15 minutter.Efter hærdning gentages trinene for at forbinde ledningen til de øvre og nedre elektrodelag. Påfør et tyndt lag PDMS jævnt på elektrodefilmen som et vedhæftningslag til binding mellem elektroden og dielektriske lag. Placer derefter det porøse PDMS dielektriske lag, der er fremstillet på elektrodelaget.Hærd PDMS-limen ved 95 grader Celsius i 10 minutter. Placer en petriskål af glas på det porøse PDMS for at sikre god kontakt mellem de to lag under opvarmning. Påfør et tyndt lag PDMS jævnt på det andet elektrodelag.Vend derefter det bundne elektrodedielektriske lag og placer det på det andet enkeltelektrodelag. Efter justering af de to elektroder skal du afslutte bindingen mellem det porøse PDMS-lag og det andet elektrodelag. For at teste sensorydelsen skal du styre trinmotoren for at få indrykkeren til at bevæge sig lodret ned med en programmeret afstand.Kapacitansen og standardtrykdataene registreres ved at øge belastningskraften med samme interval i hver på hinanden følgende belastningscyklus, indtil belastningstrykket når 40 newton. Kontroller igen trinmotoren og registrer kapacitansen og standardtrykdataene. Gentag lastnings- og losningstestene i 2.500 cyklusser, mens kapacitansen af den testede enhed registreres som en funktion af standardtrykaflæsningen.Kontroller indrykningen for at trykke hurtigt ned og forblive stabil i et par sekunder, før du vender tilbage til nul Newton-belastning. Gentag denne procedure fem gange, og registrer kapacitansen som en funktion af tiden. Optiske mikroskopbilleder af de porøse PDMS dielektriske lag fremstillet med forskellige PDMS toluenmasseforhold viste, at porevægtykkelsen faldt med et stigende masseforhold af PDMS-toluenopløsningen.Simuleringsanalysen viste, at en højere porøsitet bidrog til en større trykstamme med forbedret linearitet under det samme anvendte kompressionstryk. Kapacitanstrykresponskurven for sensorerne med porøse PDMS dielektriske lag med forskellige PDMS toluenmasseforhold udviste forskellig følsomhed. I trykbelastningsområdet fra 0 til 10 kilopascal udviste sensoren med et til en PDMS-toluenmasseforhold dobbelt højere følsomhed end sensorens med otte til en PDMS-toluenmasseforholdet.Ved øget tryk reduceres det dielektriske lags porer gradvist i størrelse, hvilket reducerer følsomheden, indtil det nåede det samme niveau for alle porøsiteter. Den kapacitive respons på fem på hinanden følgende belastnings- og aflæsningstest under det samme belastningstryk på 10 kilopascal vises. Responstiden for indlæsning viste sig at være 0,2 sekunder.De cykliske tests afslørede, at den as-fabrikerede bløde kapacitive sensor havde fremragende repeterbarhed efter 2.500 cyklusser. Porøsiteten af PDMS dielektriske lag vil falde, når PDMS toluenmasseforholdet stiger, hvilket vil påvirke sensorens ydeevne.

Research

JoVE Journal

Engineering

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Micro 3D Udskrivning ved hjælp af en digital projektor og dens anvendelse i studiet af bløde materialer Mechanics

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Syntese og Microdiffraction ved ekstreme tryk og temperaturer

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

Casting Protokoller til produktion af åbne celler Aluminum Skum af replikering Teknik og effekten på Porøsitet

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Detektion og Inddrivelse af Palladium, Guld og kobolt Metaller fra Urban Mine Brug Nye sensorer / Adsorbenter Udpegede med Nanoscale Wagon-hjul-formede porer

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

Blast Kvantificering Brug Hopkinson Pressure Bars

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures ...

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

Målingen af ​​Usikker Surface Pressure Ved hjælp af en fjernbetjening mikrofon Probe

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Opløsningsmiddel Bonding til Fabrikation af PMMA og COP mikrofluidenheder

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

Gain-kompensation Metode til en sinusformet scanning af en galvanometerspejl i Proportional-Integral-Differential Kontrol Brug forbetoning Teknikker

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment og Simulation for en forskningsreaktoren

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

At studere stor Amplitude oscillerende Shear svar af bløde materialer

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...