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

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62273304.

1. Fabricage van de zachte capacitieve druksensor met een poreuze PDMS diëlektrische laag
<ol><li>Productie van de poreuze PDMS diëlektrische laag<ol><li>Bereid de suiker / erythritol poreuze sjabloon volgens de onderstaande stappen.<ol><li>Filtreer de suiker met monsterzeven met openingen van 270 μm en 500 μm. Kies suiker met een deeltjesdiameter in het bereik van 270-500 μm. OPMERKING: Een grotere of kleinere suikerdeeltjesgrootte is ook acceptabel zolang de uniformiteit binnen de tolerantieg...

<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>

Dit werk stelt een eenvoudige methode voor op basis van oplosmiddelverdamping om de porositeit te regelen, en een reeks experimentele resultaten hebben de haalbaarheid ervan bewezen. Hoewel de poreuze structuur veel is gebruikt in de flexibele capacitieve druksensor, moet de porositeitsregeling nog verder worden geoptimaliseerd. In tegenstelling tot bestaande methoden voor het wijzigen van de deeltjesgrootte van de PFA 11,12,13,18,19 en de verhouding van polymeersubstraat tot PFA <sup class="xref"...

In de afgelopen jaren hebben flexibele druksensoren de aandacht getrokken vanwege hun onmisbare toepassing in zachte robotica 1,2,3, "mens-machine" haptische interfaces4,5 en gezondheidsmonitoring 6,7,8. Over het algemeen omvatten de mechanismen voor drukdetectie piëzoresistief 1,4,7, piëzo-elektrisch 2,6, capacitief 2,3,9,10,11,12,13 en tribo-elektrisch 8 Sensoren. Onder hen vallen capacitieve druksensoren op als een van de meest veelbelovende methoden in tactiele detectie vanwege hun hoge gevoeligheid, lage detectiegrens (LOD), enz.
Voor betere detectieprestaties zijn verschillende microstructuren zoals micropiramides 2,9,14, micropijlers 15 en microporiën9,10,11,12,13,16,17 geïntroduceerd in flexibele capacitieve druksensoren, en de fabricagemethoden zijn ook geoptimaliseerd om de detectie verder te verbeteren uitvoeringen van dergelijke structuren. De meeste van deze structuren vereisen echter geavanceerde microfabricagefaciliteiten, wat de productiekosten en operationele problemen aanzienlijk verhoogt. Als de meest gebruikte microstructuur in zachte druksensoren vertrouwen micropiramides bijvoorbeeld op lithografisch gedefinieerde en nat geëtste Si-wafers als de vormsjabloon, die precisieapparatuur en een strikte cleanroomomgeving vereist 9,14. Daarom hebben microporiënstructuren (poreuze structuren) die kunnen worden gemaakt door eenvoudige fabricageprocessen en met goedkope grondstoffen met behoud van hoge detectieprestaties, onlangs steeds meer aandacht getrokken 9,10,11,12,13,16,17 . Dit zal worden besproken, naast de nadelen van het veranderen van de PFA en de hoeveelheid ervan, als de motivatie voor het gebruik van onze fractiecontrolemethode.
Hierin stelt dit werk een eenvoudige en goedkope methode voor op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek om een poreuze flexibele capacitieve druksensor met controleerbare porositeit te fabriceren. Het volledige productieproces omvat de fabricage van de poreuze PDMS-diëlektrische laag, de schraaplaag van de elektroden en de verlijming van drie functionele lagen. In het bijzonder maakt dit werk op innovatieve wijze gebruik van een PDMS / tolueen gemengde oplossing met een bepaalde massaverhouding om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te fabriceren op basis van het suiker / erythritol-mengselsjabloon. Ondertussen zorgt een uniforme PFA-deeltjesgrootte voor een uniforme poriemorfologie en -verdeling; de porositeit kan dus worden geregeld door de PDMS/tolueenmassaverhouding te wijzigen. De experimentele resultaten tonen aan dat de gevoeligheid van de voorgestelde druksensor meer dan tweevoudig kan worden verbeterd door de PDMS / tolueen-massaverhouding te verhogen van 1: 8 naar 1: 1. De variatie in de wanddikte van de microporiën als gevolg van verschillende PDMS/tolueen massaverhoudingen wordt ook bevestigd door optische microscoopbeelden. De geoptimaliseerde zachte capacitieve druksensor toont hoge detectieprestaties met een gevoeligheid en responstijd van respectievelijk 3,47% kPa−1 en 0,2 s. Deze methode bereikt de snelle, goedkope en eenvoudig te bedienen fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeit.

<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

Zachte druksensoren spelen een belangrijke rol bij het ontwikkelen van "mens-machine" tactiele sensatie in zachte robotica en haptische interfaces. Met name capacitieve sensoren met microgestructureerde polymeermatrices zijn met aanzienlijke inspanning onderzocht vanwege hun hoge gevoeligheid, brede lineariteitsbereik en snelle responstijd. De verbetering van de detectieprestaties is echter vaak afhankelijk van het structurele ontwerp van de diëlektrische laag, waarvoor geavanceerde microfabricagefaciliteiten nodig zijn. Dit artikel beschrijft een eenvoudige en goedkope methode om poreuze capacitieve druksensoren met verbeterde gevoeligheid te fabriceren met behulp van de op oplosmiddelverdamping gebaseerde methode om de porositeit af te stemmen. De sensor bestaat uit een poreus polydimethylsiloxaan (PDMS) diëlektrische laag gebonden met boven- en onderelektroden gemaakt van elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC's). De elektroden werden voorbereid door koolstofnanobuisjes (CNT's) te schrapen en PDMS-geleidende slurry te gedopeerd in PDMS-films met schimmelpatroon. Om de porositeit van de diëlektrische laag te optimaliseren voor verbeterde detectieprestaties, werd de PDMS-oplossing verdund met tolueen van verschillende massafracties in plaats van het suikerporiënvormende middel (PFA) in verschillende maten te filteren of te malen. De verdamping van het tolueenoplosmiddel maakte de snelle fabricage van een poreuze diëlektrische laag met controleerbare porositeiten mogelijk. Er werd bevestigd dat de gevoeligheid tweevoudig kon worden verbeterd wanneer de tolueen-PDMS-verhouding werd verhoogd van 1:8 naar 1:1. Het onderzoek dat in dit werk wordt voorgesteld, maakt een goedkope methode mogelijk voor het fabriceren van volledig geïntegreerde bionische zachte robotgrijpers met zachte sensorische mechanoreceptoren van afstembare sensorparameters.

De foto van het poreuze sjabloon voor klontersuiker/erythritol is weergegeven in figuur 3A. Figuur 3B toont de flexibele elektrodelaag met een met schraaplaag bekleed ECPC-patroon. Figuur 3C toont de zachte capacitieve druksensor met een poreuze diëlektrische laag vervaardigd met de voorgestelde methode. Vier poreuze PDMS-diëlektrische lagen werden vervaardigd op basis van PDMS / tolueenoplossingen met verschille...

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

Een eenvoudige en kostenefficiënte fabricagemethode op basis van de oplosmiddelverdampingstechniek wordt gepresenteerd om de prestaties van een zachte capacitieve druksensor te optimaliseren, die mogelijk wordt gemaakt door porositeitsregeling in de diëlektrische laag met behulp van verschillende massaverhoudingen van de giet-PDMS / tolueenoplossing.

Gevoeligheidsverbetering van zachte capacitieve druksensoren met behulp van een op oplosmiddelverdamping gebaseerde porositeitscontroletechniek

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

We stelden een nieuwe methode voor om een flexibele concurrentiedruksensor met controleerbare prestaties te fabriceren. Het wordt bereikt door de oplosmiddelmassafractie aan te passen om de porositeit van de diëlektrische laag te regelen. Het optimaliseren van de concurrerende druksensor wordt bereikt door een kostenefficiënte en eenvoudige bedieningsmethode die het gebruik van geavanceerde microfabricagefaciliteiten vermijdt.Om de poreuze PDMS-diëlektrische laag te vervaardigen, weegt u gefilterde suiker en erythritolpoeder met een massaverhouding van 20 tot 1 en mengt u ze gelijkmatig door te schudden. Vul het mengsel in een commercieel verkregen suiker erythritol metalen mal en druk op het oppervlak om het vulmiddel compact te maken. Verwarm het mengsel in een heteluchtoven op 135 graden Celsius gedurende twee uur.Laat het mengsel na verhitting afkoelen bij kamertemperatuur voordat u de klonterplaatsuiker verwijdert. Om de porositeits-controleerbare PDMS-diëlektrische laag te fabriceren, weegt u vijf gram tolueen, vijf gram PDMS-base en 0,5 gram PDM-uithardingsmiddel in een centrifugebuis en roert u de oplossing gelijkmatig. Centrifugeer de oplossing op 875G gedurende 30 seconden bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen.Leg de vierkante suiker-erythritol poreuze sjabloon in een petrischaaltje. Plaats dubbelzijdige tape als afstandhouders onder de vier hoeken om de sjabloon van het oppervlak van de petrischaal te tillen. Giet de PDMS-tolueenoplossing in de sjabloon en laat de schaal iets hellen om alle openingen tussen de suikerdeeltjes te vullen.Plaats de schaal vervolgens in een vacuümexsiccator en ontgast gedurende 20 minuten. Breng na het ontgassen de schaal van de exsiccator gedurende 45 minuten over in de oven op 90 graden Celsius om het tolueen te verdampen en het vloeibare PDMS uit te harden. Dompel vervolgens het uitgeharde PDMS ingebed in de poreuze sjabloon onder in gedeïoniseerd water.Verwarm op een hete plaat op 140 graden Celsius totdat het suikersjabloon volledig is opgelost en reinig het poreuze PDMS met gedeïoniseerd water. Voor de fabricage van de flexibele elektrodelagen op basis van ECPC's, synthetiseer eerst ECPCs-inkt door 0,16 gram koolstofnanobuisjes of CNT's en vier gram tolueen in een bekerglas te wegen. Bedek het bekerglas met afdichtfolie om verdamping van oplosmiddelen te voorkomen en roer magnetisch bij 250 RPM gedurende 90 minuten.Weeg twee gram PDMS-basis en twee gram tolueen in een bekerglas en plaats gedurende een uur op een magneetroerder bij 200 RPM. Na het bereiden van beide oplossingen, mengt u de CNT-tolueensuspensie met de PDMS-basistolueenoplossing en bedek u het bekerglas met een afdichtingsfilm. Magnetisch roeren bij 250 RPM gedurende twee uur.Ontdek na het mengen het bekerglas en voeg 0,2 gram PDMS-uithardingsmiddel toe aan de gemengde oplossing. Magnetisch roeren bij 75 graden Celsius en 250 RPM gedurende een uur. Om de elektroden te schrapen, weegt u tolueen, PDMS-base en PDMS-uithardingsmiddel in een centrifugebuis met een massaverhouding van 2 tot 10 tot 1 en roert u de oplossing gelijkmatig.Centrifugeer vervolgens de oplossing op 875G gedurende 30 seconden bij kamertemperatuur om luchtbellen te verwijderen. Giet 1,3 gram PDMS-tolueenoplossing in een commercieel verkregen elektrodemetaalmal met een elektrodepatroon in reliëf. Plaats de mal in een vacuüm exsiccator en ontgast gedurende 10 minuten.Laat vervolgens de PDMS in de vorm uitharden op een hete plaat bij 90 graden Celsius gedurende 15 minuten. Na afkoeling bij kamertemperatuur verwijdert u de pdms-film met patroon. Bevestig de platte zijde van de PDMS-film op een siliciumwafer.Schraap de ECPC's inkt in het elektrodepatroon. Laat de inkt van de ECPC uitharden op hete plaat bij 90 graden Celsius gedurende 15 minuten. Voor het verlijmen en verpakken van de zachte capacitieve sensoren bevestigt u de metalen draad aan de elektrode.Laat zilvergeleidende verf op de aansluitlocatie vallen voor een goede geleidbaarheid en wacht tot de zilvergeleidende verf droogt. Laat de PDMS-oplossing op de verbinding vallen om de gedroogde zilvergeleidende verf volledig af te dichten. Laat het PDMS 15 minuten uitharden op een hete plaat bij 90 graden Celsius.Herhaal na het uitharden de stappen om de draad voor de bovenste en onderste elektrodelagen aan te sluiten. Breng een dunne laag PDMS gelijkmatig aan op de elektrodefilm als hechtingslaag voor binding tussen de elektrode en diëlektrische lagen. Plaats vervolgens de poreuze PDMS-diëlektrische laag die op de elektrodelaag is vervaardigd.Laat de PDMS-lijm 10 minuten uitharden bij 95 graden Celsius. Plaats een glazen petrischaal op het poreuze PDMS om te zorgen voor een goed contact tussen de twee lagen tijdens het verwarmen. Breng een dunne laag PDMS gelijkmatig aan op de andere elektrodelaag.Keer vervolgens de gebonden diëlektrische elektrodelaag om en plaats deze op de andere enkele elektrodelaag. Nadat u de twee elektroden hebt uitgelijnd, voltooit u de verbinding tussen de poreuze PDMS-laag en de andere elektrodelaag. Om de detectieprestaties te testen, bestuurt u de stappenmotor om de indrukker verticaal naar beneden te laten bewegen met een geprogrammeerde afstand.Noteer de capaciteit en de standaarddrukgegevens door de laadkracht met hetzelfde interval in elke opeenvolgende laadcyclus te verhogen totdat de belastingsdruk 40 Newton bereikt. Nogmaals, bedien de stappenmotor en noteer de capaciteit en de standaard drukgegevens. Herhaal de laad- en lostests gedurende 2.500 cycli terwijl u de capaciteit van het te testen apparaat registreert als functie van de standaarddrukmeting.Controleer de indrukker om snel in te drukken en een paar seconden stabiel te blijven voordat u terugkeert naar nul Newton-belasting. Herhaal deze procedure vijf keer en noteer de capaciteit als functie van de tijd. Optische microscoopbeelden van de poreuze PDMS-diëlektrische lagen vervaardigd met verschillende PDMS-tolueenmassaverhoudingen toonden aan dat de poriewanddikte afnam met een toenemende massaverhouding van de PDMS-tolueenoplossing.De simulatieanalyse toonde aan dat een hogere porositeit bijdroeg aan een grotere drukspanning, met verbeterde lineariteit onder dezelfde toegepaste compressiedruk. De capaciteitsdrukresponscurve van de sensoren met poreuze PDMS-diëlektrische lagen met verschillende PDMS-tolueenmassaverhoudingen vertoonde een verschillende gevoeligheid. In het drukbelastingsbereik van 0 tot 10 kilopascal vertoonde de sensor met een één-op-één PDMS-tolueenmassaverhouding een tweevoudig hogere gevoeligheid dan die van de sensor met de acht-op-één PDMS-tolueenmassaverhouding.Bij verhoogde druk werden de poriën van de diëlektrische laag geleidelijk kleiner, waardoor de gevoeligheid afnam totdat deze hetzelfde niveau bereikte voor alle porositeiten. De capacitieve respons op vijf opeenvolgende laad- en losproeven onder dezelfde belastingsdruk van 10 kilopascal wordt weergegeven. De reactietijd van het laden bleek 0,2 seconden te zijn.De cyclische tests toonden aan dat de gefabriceerde zachte capacitieve sensor een uitstekende herhaalbaarheid had na 2.500 cycli. De porositeit van de PDMS-diëlektrische laag zal afnemen naarmate de PDMS-tolueenmassaverhouding toeneemt, wat de sensorprestaties zal beïnvloeden.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Printing Met behulp van een digitale projector en de toepassing ervan in de studie van de Soft Materials Mechanica

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

Synthese en microdiffraction bij extreme drukken en temperaturen

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 Protocollen voor de productie van Open Cell Aluminium schuimen door de Replicatie Techniek en het effect op de porositeit

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

Detectie en herstel van Palladium, Goud en Cobalt metalen uit de Urban Mine via innovatieve sensoren / Adsorbentia Aangewezen met nanoschaal Wagon-wheel-vormige poriën

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 Kwantificering Met behulp van 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

De meting van Unsteady Surface Pressure Met behulp van een Remote Microphone 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

Oplosmiddel Bonding voor de productie van PMMA en COP microfluïdische apparaten

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-compensatie Methodologie voor een sinusvormige scan van een Galvanometer Spiegel in Proportioneel-Integral-Differential Control Met behulp van Pre-emphasis Technieken

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

Studie van Siphon Breaker Experiment en simulatie voor een onderzoeksreactor

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

Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

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