Name: sensitivity enhancement of soft capacitive pressure sensors using a solvent evaporation-based porosity control technique
Uploaded: 2023-03-24T14:40:00
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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant 62273304 unterstützt.

1. Herstellung des weich-kapazitiven Drucksensors mit einer porösen dielektrischen PDMS-Schicht
<ol><li>Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht<ol><li>Bereiten Sie die poröse Zucker-/Erythrit-Schablone vor, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.<ol><li>Filtrieren Sie den Zucker mit Probensieben mit Öffnungen von 270 μm und 500 μm. Wählen Sie Zucker mit einem Partikeldurchmesser im Bereich von 270-500 μm. Anmerkungen: Eine größere oder kleinere Zuckerpartikelgröße ist eb...

<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>

In dieser Arbeit wird eine einfache Methode vorgeschlagen, die auf der Verdampfung von Lösungsmitteln basiert, um die Porosität zu kontrollieren, und eine Reihe von experimentellen Ergebnissen hat ihre Machbarkeit bewiesen. Obwohl die poröse Struktur im flexiblen kapazitiven Drucksensor weit verbreitet ist, muss die Porositätskontrolle noch weiter optimiert werden. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden zur Änderung der Partikelgröße des PFA 11,12,13,18,19 und des Verhältnisses von Polymersubstrat zu PFA <sup class...

In den letzten Jahren haben flexible Drucksensoren aufgrund ihrer unverzichtbaren Anwendung in der Softrobotik 1,2,3, den haptischen Schnittstellen "Mensch-Maschine" 4,5 und der Gesundheitsüberwachung 6,7,8 Aufmerksamkeit erregt. Im Allgemeinen umfassen die Mechanismen für die Druckmessung piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisch 2,6, kapazitiv 2,3,9,10,11,12,13 und triboelektrisch 8 Sensoren. Unter ihnen zeichnen sich kapazitive Drucksensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, niedrigen Nachweisgrenze (LOD) usw. als eine der vielversprechendsten Methoden in der taktilen Sensorik aus.
Um eine bessere Sensorleistung zu erzielen, wurden verschiedene Mikrostrukturen wie Mikropyramiden2, 9, 14, Mikrosäulen15 und Mikroporen 9, 10, 11, 12, 13, 16, 17 in flexible kapazitive Drucksensoren eingeführt, und die Herstellungsmethoden wurden ebenfalls optimiert, um die Sensorik weiter zu verbessern Aufführungen solcher Strukturen. Die meisten dieser Strukturen erfordern jedoch ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen, was die Herstellungskosten und Betriebsschwierigkeiten erheblich erhöht. Mikropyramiden sind beispielsweise die am häufigsten verwendete Mikrostruktur in Weichdrucksensoren und basieren auf lithografisch definierten und nassgeätzten Si-Wafern als Formvorlage, was Präzisionsgeräte und eine strenge Reinraumumgebung erfordert 9,14. Daher haben Mikroporenstrukturen (poröse Strukturen), die durch einfache Herstellungsprozesse und mit kostengünstigen Rohstoffen unter Beibehaltung hoher Sensorleistungen hergestellt werden können,in letzter Zeit zunehmend Aufmerksamkeit erregt 9,10,11,12,13,16,17 . Dies wird, zusammen mit den Nachteilen einer Änderung der PFA und ihrer Menge, als Motivation für die Verwendung unserer Fraktionskontrollmethode diskutiert.
In dieser Arbeit wird eine einfache und kostengünstige Methode vorgeschlagen, die auf der Lösungsmittel-Verdampfungstechnik basiert, um einen porösen, flexiblen kapazitiven Drucksensor mit kontrollierbarer Porosität herzustellen. Der komplette Herstellungsprozess umfasst die Herstellung der porösen dielektrischen PDMS-Schicht, die Abstandsbeschichtung der Elektroden und die Verklebung von drei Funktionsschichten. Konkret wird in dieser Arbeit eine PDMS/Toluol-Mischlösung mit einem bestimmten Massenverhältnis verwendet, um die poröse dielektrische PDMS-Schicht auf der Grundlage des Zucker/Erythrit-Gemischs herzustellen. Währenddessen sorgt eine gleichmäßige PFA-Partikelgröße für eine gleichmäßige Porenmorphologie und -verteilung; So kann die Porosität durch Änderung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses gesteuert werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Drucksensors durch eine Erhöhung des PDMS/Toluol-Massenverhältnisses von 1:8 auf 1:1 um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Die Variation der Mikroporenwanddicke aufgrund unterschiedlicher PDMS/Toluol-Massenverhältnisse wird auch durch lichtmikroskopische Aufnahmen bestätigt. Der optimierte weich-kapazitive Drucksensor zeigt eine hohe Schaltleistung mit einer Empfindlichkeit und Reaktionszeit von 3,47 % kPa−1 bzw. 0,2 s. Mit diesem Verfahren wird die schnelle, kostengünstige und einfach zu bedienende Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbarer Porosität erreicht.

<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

Weichdrucksensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des "Mensch-Maschine"-Tastgefühls in der Softrobotik und haptischen Schnittstellen. Insbesondere kapazitive Sensoren mit mikrostrukturierten Polymermatrizes wurden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres breiten Linearitätsbereichs und ihrer schnellen Ansprechzeit mit erheblichem Aufwand erforscht. Die Verbesserung der Sensorleistung hängt jedoch häufig vom strukturellen Design der dielektrischen Schicht ab, was ausgeklügelte Mikrofabrikationsanlagen erfordert. Dieser Artikel berichtet über eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung poröser kapazitiver Drucksensoren mit verbesserter Empfindlichkeit unter Verwendung der lösungsmittelbasierten Verdampfungsmethode zur Abstimmung der Porosität. Der Sensor besteht aus einer porösen Dielektrikumsschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS), die mit oberen und unteren Elektroden aus elastischen leitfähigen Polymerkompositen (ECPCs) verbunden ist. Die Elektroden wurden hergestellt, indem mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) dotierte, leitfähige PDMS-Aufschlämmung in PDMS-Schichten mit Formmuster versehen wurde. Um die Porosität der dielektrischen Schicht für eine verbesserte Sensorleistung zu optimieren, wurde die PDMS-Lösung mit Toluol unterschiedlicher Massenanteile verdünnt, anstatt das Zuckerporenbildner (PFA) in verschiedene Größen zu filtern oder zu mahlen. Die Verdampfung des Toluol-Lösungsmittels ermöglichte die schnelle Herstellung einer porösen dielektrischen Schicht mit kontrollierbaren Porositäten. Es konnte bestätigt werden, dass die Empfindlichkeit um das Zweifache gesteigert werden konnte, wenn das Toluol-PDMS-Verhältnis von 1:8 auf 1:1 erhöht wurde. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Forschung ermöglicht eine kostengünstige Methode zur Herstellung von voll integrierten bionischen Soft-Robotergreifern mit weichen sensorischen Mechanorezeptoren von einstellbaren Sensorparametern.

Das Foto der porösen Plätzchenzucker/Erythrit-Matrize ist in Abbildung 3A dargestellt. Abbildung 3B zeigt die flexible Elektrodenschicht mit einem kratzbeschichteten ECPCs-Muster. Abbildung 3C zeigt den weich-kapazitiven Drucksensor mit einer porösen dielektrischen Schicht, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde. Es wurden vier poröse dielektrische PDMS-Schichten auf Basis von PDMS/Toluol-Lösu...

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

Es wird eine einfache und kostengünstige Herstellungsmethode vorgestellt, die auf der Lösungsmittelverdampfungstechnik basiert, um die Leistung eines weich-kapazitiven Drucksensors zu optimieren, was durch Porositätskontrolle in der dielektrischen Schicht unter Verwendung verschiedener Massenverhältnisse der PDMS/Toluol-Lösung ermöglicht wird.

Empfindlichkeitssteigerung von weich-kapazitiven Drucksensoren unter Verwendung einer lösungsmittelbasierten Porositätskontrolltechnik

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

Wir schlugen eine neue Methode zur Herstellung eines flexiblen Wettbewerbsdrucksensors mit kontrollierbarer Leistung vor. Dies wird durch Einstellen des Lösungsmittelmassenanteils erreicht, um die Porosität der dielektrischen Schicht zu steuern. Die Optimierung des Wettbewerbsdrucksensors wird durch eine kosteneffiziente und einfache Betriebsmethode erreicht, die den Einsatz ausgeklügelter Mikrofabrikationsanlagen vermeidet.Um die poröse dielektrische PDMS-Schicht herzustellen, wiegen Sie Filterzucker und Erythritpulver mit einem Massenverhältnis von 20 zu 1 ab und mischen Sie sie gleichmäßig durch Schütteln. Füllen Sie die Mischung in eine handelsübliche Zuckererythrit-Metallform und drücken Sie die Oberfläche an, um den Füllstoff kompakt zu machen. Die Mischung im Umluftofen bei 135 Grad Celsius zwei Stunden lang erhitzen.Lassen Sie die Mischung nach dem Erhitzen bei Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie den Würfelzucker entfernen. Um die porositätskontrollierbare dielektrische PDMS-Schicht herzustellen, wiegen Sie fünf Gramm Toluol, fünf Gramm PDMS-Base und 0,5 Gramm PDM-Härter in einem Zentrifugenröhrchen ab und rühren Sie die Lösung gleichmäßig um. Zentrifugieren Sie die Lösung bei 875 G für 30 Sekunden bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen.Legen Sie die quadratische poröse Zucker-Erythrit-Schablone in eine Petrischale. Legen Sie doppelseitiges Klebeband als Abstandshalter unter die vier Ecken, um die Schablone von der Oberfläche der Petrischale abzuheben. Gießen Sie die PDMS-Toluollösung in die Schablone und neigen Sie die Schale leicht, um alle Lücken zwischen den Zuckerpartikeln zu füllen.Stellen Sie dann die Schüssel in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 20 Minuten lang. Nach dem Entgasen die Schale aus dem Exsikkator für 45 Minuten bei 90 Grad Celsius in den Ofen geben, um das Toluol zu verdampfen und das flüssige PDMS auszuhärten. Als nächstes tauchen Sie das ausgehärtete PDMS, das in die poröse Schablone eingebettet ist, in deionisiertes Wasser.Auf einer heißen Platte bei 140 Grad Celsius erhitzen, bis sich die Zuckerschablone vollständig aufgelöst hat, und das poröse PDMS mit deionisiertem Wasser reinigen. Für die Herstellung der flexiblen Elektrodenschichten auf Basis von ECPCs synthetisiert man zunächst die Tinte des ECPC, indem man 0,16 Gramm Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und vier Gramm Toluol in einem Becherglas wiegt. Decken Sie das Becherglas mit einer Dichtungsfolie ab, um eine Verdunstung des Lösungsmittels zu verhindern, und rühren Sie 90 Minuten lang magnetisch bei 250 U/min.Wiegen Sie zwei Gramm PDMS-Base und zwei Gramm Toluol in einem Becherglas ab und stellen Sie es eine Stunde lang auf einen Magnetrührer bei 200 U/min. Nach der Herstellung beider Lösungen werden die CNTs-Toluol-Suspension mit der PDMS-Basis-Toluollösung gemischt und das Becherglas mit einer Siegelfolie abgedeckt. Zwei Stunden lang bei 250 U/min magnetisch rühren.Decken Sie nach dem Mischen das Becherglas ab und geben Sie 0,2 Gramm PDMS-Härter in die Mischlösung. Eine Stunde lang bei 75 Grad Celsius und 250 U/min magnetisch rühren. Um die Elektroden zu schaben, wiegen Sie Toluol, PDMS-Base und PDMS-Härter in einem Zentrifugenröhrchen mit einem Massenverhältnis von 2 bis 10 zu 1 ab und rühren Sie die Lösung gleichmäßig um.Zentrifugieren Sie dann die Lösung bei 875 G für 30 Sekunden bei Raumtemperatur, um Luftblasen zu entfernen. Gießen Sie 1,3 Gramm PDMS-Toluollösung in eine kommerziell erhältliche Elektrodenmetallform mit einem geprägten Elektrodenmuster. Legen Sie die Form in einen Vakuum-Exsikkator und entgasen Sie sie 10 Minuten lang.Anschließend härten Sie das PDMS in der Form auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius für 15 Minuten aus. Nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur die gemusterte PDMS-Folie abziehen. Befestigen Sie die flache Seite der PDMS-Folie auf einem Siliziumwafer.Kratzen Sie die ECPC-Tinte in das Elektrodenmuster ein. Härten Sie die Tinte des ECPC 15 Minuten lang auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius aus. Zum Verkleben und Verpacken der weich-kapazitiven Sensoren befestigen Sie den Metalldraht an der Elektrode.Lassen Sie silberleitfähige Farbe auf die Verbindungsstelle fallen, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten, und warten Sie, bis die silberne leitfähige Farbe getrocknet ist. Lassen Sie die PDMS-Lösung auf den Anschluss fallen, um die getrocknete silberleitfähige Farbe vollständig zu versiegeln. Das PDMS auf einer heißen Platte bei 90 Grad Celsius 15 Minuten aushärten lassen.Wiederholen Sie nach dem Aushärten die Schritte, um den Draht für die obere und untere Elektrodenschicht zu verbinden. Tragen Sie eine dünne Schicht PDMS gleichmäßig auf die Elektrodenfolie als Haftschicht für die Verbindung zwischen Elektrode und dielektrischen Schichten auf. Platzieren Sie dann die hergestellte poröse PDMS-Dielektrikumsschicht auf der Elektrodenschicht.Härten Sie den PDMS-Kleber bei 95 Grad Celsius 10 Minuten lang aus. Stellen Sie eine Petrischale aus Glas auf das poröse PDMS, um einen guten Kontakt zwischen den beiden Schichten während des Erhitzens zu gewährleisten. Tragen Sie eine dünne Schicht PDMS gleichmäßig auf die andere Elektrodenschicht auf.Kehren Sie dann die dielektrische Schicht der geklebten Elektrode um und legen Sie sie auf die andere einzelne Elektrodenschicht. Nachdem Sie die beiden Elektroden ausgerichtet haben, beenden Sie die Verbindung zwischen der porösen PDMS-Schicht und der anderen Elektrodenschicht. Um die Erfassungsleistung zu testen, steuern Sie den Schrittmotor, um den Eindringkörper so anzutreiben, dass er sich um einen programmierten Abstand vertikal nach unten bewegt.Zeichnen Sie die Kapazitäts- und Standarddruckdaten auf, indem Sie die Belastungskraft in jedem aufeinanderfolgenden Belastungszyklus mit dem gleichen Intervall erhöhen, bis der Belastungsdruck 40 Newton erreicht. Steuern Sie auch hier den Schrittmotor und zeichnen Sie die Kapazität und die Standarddruckdaten auf. Wiederholen Sie die Be- und Entladetests für 2.500 Zyklen, während Sie die Kapazität des Prüflings in Abhängigkeit vom Standarddruckwert aufzeichnen.Kontrollieren Sie den Eindringkörper, um ihn schnell nach unten zu drücken und einige Sekunden lang ruhig zu bleiben, bevor Sie zu einer Newton-Belastung von Null zurückkehren. Wiederholen Sie diesen Vorgang fünfmal und notieren Sie die Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit. Lichtmikroskopische Aufnahmen der porösen PDMS-Dielektrikumsschichten, die mit unterschiedlichen PDMS-Toluol-Massenverhältnissen hergestellt wurden, zeigten, dass die Porenwanddicke mit zunehmendem Massenverhältnis der PDMS-Toluollösung abnahm.Die Simulationsanalyse zeigte, dass eine höhere Porosität zu einer größeren Druckdehnung mit verbesserter Linearität bei gleichem Druckdruck beitrug. Die kapazitive Druckantwortkurve der Sensoren mit porösen dielektrischen PDMS-Schichten mit unterschiedlichen PDMS-Toluol-Massenverhältnissen zeigte eine unterschiedliche Empfindlichkeit. Im Druckbelastungsbereich von 0 bis 10 Kilopascal zeigte der Sensor mit einem PDMS-Toluol-Massenverhältnis von eins zu eins eine doppelt so hohe Empfindlichkeit wie der Sensor mit dem Acht-zu-Eins-Toluol-Massenverhältnis.Bei erhöhtem Druck verkleinerten sich die Poren der dielektrischen Schicht allmählich und verringerten die Empfindlichkeit, bis sie für alle Porositäten das gleiche Niveau erreichte. Die kapazitive Reaktion auf fünf aufeinanderfolgende Be- und Entladeversuche bei gleichem Lastdruck von 10 Kilopascal wird gezeigt. Die Reaktionszeit des Ladens betrug 0,2 Sekunden.Die zyklischen Tests ergaben, dass der weich-kapazitive Sensor nach 2.500 Zyklen eine hervorragende Wiederholbarkeit aufwies. Die Porosität der dielektrischen PDMS-Schicht nimmt mit zunehmendem PDMS-Toluol-Massenverhältnis ab, was sich auf die Sensorleistung auswirkt.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Ingenieurwesen

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