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

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 62273304.

1. ייצור חיישן לחץ קיבולי רך עם שכבה דיאלקטרית PDMS נקבובית
<ol><li>ייצור השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית<ol><li>הכינו את התבנית הנקבובית של סוכר/אריתריטול לפי השלבים הבאים.<ol><li>מסננים את הסוכר עם מסננות מדגם עם צמצמים של 270 מיקרומטר ו 500 מיקרומטר. בחר סוכר עם קוטר חלקיקים בטווח של 270-500 מיקרומ...

<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>

עבודה זו מציעה שיטה פשוטה המבוססת על אידוי ממס כדי לשלוט על הנקבוביות, וסדרה של תוצאות ניסוי הוכיחו את היתכנותה. למרות שהמבנה הנקבובי נמצא בשימוש נרחב בחיישן הלחץ הקיבולי הגמיש, בקרת הנקבוביות עדיין זקוקה לאופטימיזציה נוספת. בניגוד לשיטות הקיימות לשינוי גודל החלקיקים של PFA 11,12,13,18,19 והיחס ?...

בשנים האחרונות, חיישני לחץ גמישים מושכים תשומת לב בשל היישום החיוני שלהם ברובוטיקה רכה 1,2,3, ממשקים הפטיים "אדם-מכונה"4,5, וניטור בריאות 6,7,8. באופן כללי, מנגנוני חישת הלחץ כוללים פיאזו-התנגדות 1,4,7, פיאזואלקטרית 2,6, קיבולית 2,3,9,10,11,12,13 וטריבואלקטרית 8 חיישנים. ביניהם, חיישני לחץ קיבולי בולטים כאחת השיטות המבטיחות ביותר בחישה מישושית בשל רגישותם הגבוהה, גבול נמוך של גילוי (LOD) וכו '.
לביצועי חישה טובים יותר, מיקרו-מבנים שונים כגון מיקרו-פירמידות 2,9,14, מיקרו-עמודים 15 ומיקרו-נקבוביות 9,10,11,12,13,16,17 הוכנסו לחיישני לחץ קיבוליים גמישים, ושיטות הייצור עברו אופטימיזציה כדי לשפר עוד יותר את החישה הופעות של מבנים כאלה. עם זאת, רוב המבנים הללו דורשים מתקני מיקרו-פבריקציה מתוחכמים, מה שמגדיל משמעותית את עלויות הייצור ואת הקשיים התפעוליים. לדוגמה, כמיקרו-מבנה הנפוץ ביותר בחיישני לחץ רך, מיקרו-פירמידות מסתמכות על פרוסות Si המוגדרות ליטוגרפית וחרוטות רטובות כתבנית היציקה, הדורשת ציוד מדויק וסביבת חדר נקי קפדנית 9,14. לכן, מבנים מיקרו-נקבוביים (מבנים נקבוביים) שניתן לייצר בתהליכי ייצור פשוטים ובחומרי גלם זולים תוך שמירה על ביצועי חישה גבוהים משכו לאחרונה תשומת לב גוברת 9,10,11,12,13,16,17 . זה יידון, לצד החסרונות של שינוי PFA וכמותו, כמוטיבציה לשימוש בשיטת בקרת השברים שלנו.
כאן, עבודה זו מציעה שיטה פשוטה וזולה המבוססת על טכניקת אידוי ממס לייצור חיישן לחץ קיבולי גמיש נקבובי עם נקבוביות ניתנת לשליטה. תהליך הייצור המלא כולל ייצור של השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית, ציפוי הגירוד של האלקטרודות והדבקה של שלוש שכבות פונקציונליות. באופן ספציפי, עבודה זו משתמשת באופן חדשני בתמיסה מעורבת PDMS/טולואן עם יחס מסה מסוים כדי לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית המבוססת על תבנית תערובת סוכר/אריתריטול. בינתיים, גודל חלקיקי PFA אחיד מבטיח מורפולוגיה ופיזור אחידים של הנקבוביות; לפיכך, ניתן לשלוט בנקבוביות על ידי שינוי יחס המסה PDMS/טולואן. תוצאות הניסוי מראות כי ניתן לשפר את רגישות חיישן הלחץ המוצע יותר מפי שניים על ידי הגדלת יחס המסה PDMS/טולואן מ-1:8 ל-1:1. השונות בעובי דופן המיקרו-נקבוביות עקב יחסי מסה שונים של PDMS/טולואן מאושרת גם על ידי תמונות מיקרוסקופ אופטי. חיישן הלחץ הקיבולי הרך הממוטב מציג ביצועי חישה גבוהים עם רגישות וזמן תגובה של 3.47% kPa−1 ו- 0.2 שניות, בהתאמה. שיטה זו משיגה ייצור מהיר, זול וקל לתפעול של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות נשלטת.

<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

חיישני לחץ רך ממלאים תפקיד משמעותי בפיתוח תחושת מישוש "אדם-מכונה" ברובוטיקה רכה ובממשקים הפטיים. באופן ספציפי, חיישנים קיבוליים עם מטריצות פולימריות מיקרו-מובנות נחקרו במאמץ ניכר בגלל רגישותם הגבוהה, טווח ליניאריות רחב וזמן תגובה מהיר. עם זאת, שיפור ביצועי החישה מסתמך לעתים קרובות על התכנון המבני של השכבה הדיאלקטרית, הדורש מתקני מיקרו-ייצור מתוחכמים. מאמר זה מדווח על שיטה פשוטה וזולה לייצור חיישני לחץ קיבולי נקבובי עם רגישות משופרת באמצעות שיטה מבוססת אידוי ממס לכוונון הנקבוביות. החיישן מורכב משכבה דיאלקטרית נקבובית של פולידימתילסילוקסאן (PDMS) המחוברת לאלקטרודות עליונות ותחתונות העשויות מפולימרים מרוכבים מוליכים אלסטיים (ECPCs). האלקטרודות הוכנו על ידי ננו-צינוריות פחמן (CNTs) מסוממות PDMS מסוממות לתוך יריעות PDMS בדוגמת עובש. כדי למטב את הנקבוביות של השכבה הדיאלקטרית לביצועי חישה משופרים, תמיסת PDMS נמהלה בטולואן של שברי מסה שונים במקום לסנן או לטחון את החומר יוצר נקבוביות הסוכר (PFA) לגדלים שונים. אידוי ממס הטולואן איפשר ייצור מהיר של שכבה דיאלקטרית נקבובית עם נקבוביות ניתנות לשליטה. אושר כי ניתן לשפר את הרגישות פי שניים כאשר יחס טולואן ל-PDMS הוגדל מ-1:8 ל-1:1. המחקר המוצע בעבודה זו מאפשר שיטה זולה לייצור מאחזים רובוטיים רכים ביוניים משולבים במלואם עם קולטנים מכניים חושיים רכים של פרמטרים של חיישנים מתכווננים.

התצלום של התבנית הנקבובית של סוכר/אריתריטול מוצג באיור 3A. איור 3B מראה את שכבת האלקטרודות הגמישה עם תבנית ECPCs מצופה שריטות. איור 3C מראה את חיישן הלחץ הקיבולי הרך עם שכבה דיאלקטרית נקבובית שיוצרה בשיטה המוצעת. ארבע שכבות דיאלקטריות PD...

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

שיטת ייצור פשוטה וחסכונית המבוססת על טכניקת אידוי הממס מוצגת כדי לייעל את הביצועים של חיישן לחץ קיבולי רך, המתאפשר על ידי בקרת נקבוביות בשכבה הדיאלקטרית באמצעות יחסי מסה שונים של תמיסת PDMS/טולואן יציקה.

שיפור רגישות של חיישני לחץ קיבולי רך באמצעות טכניקת בקרת נקבוביות מבוססת אידוי ממס

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

הצענו שיטה חדשה לייצור חיישן לחץ תחרותי גמיש עם ביצועים הניתנים לשליטה. זה מושג על ידי התאמת חלק המסה ממס כדי לשלוט על נקבוביות של השכבה הדיאלקטרית. אופטימיזציה של חיישן הלחץ התחרותי מושגת על ידי שיטת הפעלה חסכונית וקלה הנמנעת משימוש במתקני מיקרו-ייצור מתוחכמים.כדי לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS נקבובית, לשקול סוכר מסונן אבקת אריתריטול עם יחס מסה של 20 ל 1 ולערבב אותם באופן שווה על ידי טלטול. מלאו את התערובת בתבנית מתכת אריתריטול סוכר שהושגה באופן מסחרי ולחצו על פני השטח כדי להפוך את חומר המילוי לקומפקטי. מחממים את התערובת בתנור הסעה בחום של 135 מעלות למשך שעתיים.לאחר החימום, מניחים לתערובת להתקרר בטמפרטורת החדר לפני הסרת גוש הסוכר. כדי לייצר את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנשלטת על ידי נקבוביות, שוקלים חמישה גרם טולואן, חמישה גרם בסיס PDMS ו-0.5 גרם חומר מרפא PDM בצינור צנטריפוגה ומערבבים את התמיסה באופן שווה. צנטריפוגו את התמיסה ב-875G למשך 30 שניות בטמפרטורת החדר כדי להסיר בועות אוויר.הניחו את התבנית הנקבובית מרובעת הסוכר-אריתריטול בצלחת פטרי. הכניסו סרט דו-צדדי כספייסרים מתחת לארבע הפינות כדי להרים את התבנית משטח צלחת הפטרי. יוצקים את תמיסת הטולואן PDMS לתוך התבנית ומטים מעט את התבשיל כדי למלא את כל הרווחים בין חלקיקי הסוכר.לאחר מכן, מניחים את המנה במייבש ואקום ו degas במשך 20 דקות. לאחר פירוק הגזים, מעבירים את התבשיל מהמייבש לתנור בחום של 90 מעלות צלזיוס למשך 45 דקות כדי לאדות את הטולואן ולרפא את ה-PDMS הנוזלי. לאחר מכן, לטבול את PDMS נרפא מוטבע בתבנית נקבובית במים deionized.מחממים על פלטה חמה בחום של 140 מעלות צלזיוס עד שתבנית הסוכר מתמוססת לחלוטין ומנקים את ה-PDMS הנקבובי במים נטולי יונים. לייצור שכבות אלקטרודות גמישות המבוססות על ECPCs, ראשית, לסנתז דיו ECPCs על ידי שקילת 0.16 גרם של ננו-צינורות פחמן, או CNT, וארבעה גרם של טולואן בכד. מכסים את הכד בסרט איטום למניעת אידוי הממס ומערבבים מגנטית במהירות 250 סל"ד למשך 90 דקות.שוקלים שני גרם בסיס PDMS ושני גרם טולואן בכד, ומניחים על מערבל מגנטי במהירות 200 סל"ד למשך שעה. לאחר הכנת שני התמיסות, ערבבו את מתלה הטולואן CNT עם תמיסת הטולואן הבסיסית PDMS וכסו את הכד בסרט איטום. מערבבים מגנטית ב-250 סל"ד למשך שעתיים.לאחר הערבוב, לחשוף את הכד ולהוסיף 0.2 גרם של חומר ריפוי PDMS לתוך התמיסה המעורבת. מערבבים מגנטית בטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס ו-250 סל"ד למשך שעה. כדי לגרד את האלקטרודות, שקלו טולואן, בסיס PDMS וחומר ריפוי PDMS בצינור צנטריפוגה עם יחס מסה של 2 עד 10 ל -1 וערבבו את התמיסה באופן שווה.לאחר מכן, צנטריפוגו את התמיסה ב-875G למשך 30 שניות בטמפרטורת החדר כדי להסיר בועות אוויר. יוצקים 1.3 גרם של תמיסת טולואן PDMS לתוך תבנית מתכת אלקטרודה המתקבלת באופן מסחרי עם תבנית אלקטרודה מובלטת. מניחים את התבנית בוואקום מייבש ו degas במשך 10 דקות.לאחר מכן, לרפא את PDMS בתבנית על צלחת חמה ב 90 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות. לאחר קירור בטמפרטורת החדר, מקלפים את סרט PDMS עם דוגמה. חבר את הצד השטוח של סרט PDMS לפרוסת סיליקון.ציפוי גירוד הדיו של ECPCs לתוך תבנית האלקטרודות. רפא את הדיו של ECPC על צלחת חמה ב 90 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות. להדבקה ואריזה של חיישנים קיבוליים רכים, חבר את חוט המתכת לאלקטרודה.זרקו צבע מוליך כסף במקום החיבור לקבלת מוליכות טובה והמתינו עד שהצבע המוליך הכסוף יתייבש. זרוק את תמיסת PDMS על החיבור כדי לאטום לחלוטין את הצבע המוליך הכסוף המיובש. לרפא את PDMS על צלחת חמה ב 90 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות.לאחר הריפוי, חזור על השלבים לחיבור החוט לשכבות האלקטרודות העליונות והתחתונות. יש למרוח שכבה דקה של PDMS באופן שווה על סרט האלקטרודה כשכבת הדבקה לחיבור בין השכבה האלקטרודה לשכבה הדיאלקטרית. לאחר מכן, הניחו את השכבה הדיאלקטרית PDMS הנקבובית המיוצרת על שכבת האלקטרודה.רפא את דבק PDMS ב 95 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. הניחו צלחת פטרי מזכוכית על ה-PDMS הנקבובי כדי להבטיח מגע טוב בין שתי השכבות במהלך החימום. יש למרוח שכבה דקה של PDMS באופן שווה על שכבת האלקטרודה השנייה.לאחר מכן, הפוך את השכבה הדיאלקטרית של האלקטרודה המלוכדת ומקם אותה על שכבת האלקטרודה היחידה השנייה. לאחר יישור שתי האלקטרודות, סיים את החיבור בין שכבת PDMS הנקבובית לבין שכבת האלקטרודות השנייה. לבדיקת ביצועי החישה, שלוט במנוע הצעד כדי להניע את הנכנס לנוע מטה אנכית במרחק מתוכנת.רשום את הקיבול ואת נתוני הלחץ הסטנדרטיים על ידי הגדלת כוח ההעמסה באותו מרווח בכל מחזור טעינה רצוף עד שלחץ ההעמסה מגיע ל -40 ניוטון. שוב, שלוט במנוע הצעד ורשום את הקיבול ואת נתוני הלחץ הסטנדרטיים. חזור על בדיקות הטעינה והפריקה במשך 2, 500 מחזורים תוך הקלטת הקיבול של המכשיר הנבדק כפונקציה של קריאת הלחץ הסטנדרטית.שלוט בכניסה ללחוץ מטה במהירות ולהישאר יציב למשך מספר שניות לפני שתחזור לאפס עומס ניוטון. חזור על הליך זה חמש פעמים ורשום את הקיבול כפונקציה של זמן. תמונות מיקרוסקופ אופטי של השכבות הדיאלקטריות PDMS הנקבוביות שנוצרו עם יחסי מסה שונים של טולואן PDMS הראו כי עובי דופן הנקבוביות ירד עם הגדלת יחס המסה של תמיסת טולואן PDMS.ניתוח הסימולציה הראה כי נקבוביות גבוהה יותר תרמה לזן דחיסה גדול יותר, עם ליניאריות משופרת תחת אותו לחץ דחיסה שהופעל. עקומת תגובת לחץ הקיבול של החיישנים עם שכבות דיאלקטריות PDMS נקבוביות עם יחסי מסה שונים של PDMS טולואן הציגה רגישות שונה. בטווח העמסת לחץ של 0 עד 10 קילופסקל, החיישן עם יחס מסה של טולואן PDMS אחד לאחד הציג רגישות גבוהה פי שניים מזו של החיישן עם יחס המסה של שמונה לאחד PDMS טולואן.עם הגברת הלחץ, נקבוביות השכבה הדיאלקטרית הצטמצמו בהדרגה בגודלן, ופחתו הרגישות עד שהגיעה לאותה רמה עבור כל הנקבוביות. התגובה הקיבולית לחמש בדיקות טעינה רצופות, פריקה תחת אותו לחץ העמסה של 10 קילופסקל מוצגת. זמן התגובה של הטעינה נמצא 0.2 שניות.הבדיקות המחזוריות גילו כי לחיישן הקיבולי הרך המפוברק הייתה יכולת חזרה מצוינת לאחר 2, 500 מחזורים. הנקבוביות של השכבה הדיאלקטרית PDMS תפחת ככל שיחס המסה של PDMS toluene יגדל, מה שישפיע על ביצועי החיישן.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

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

סינתזה וMicrodiffraction בלחצים וטמפרטורות קיצוניים

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

יציקת פרוטוקולים לייצור תא הפתוח קצף אלומיניום על ידי טכניקת השכפול והשפעת על נקבוביות

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

איתור והשחזור של פלדיום, מתכות זהב וקובלט ממכרה העירונית באמצעות חיישנים / Adsorbents רומן יעודיים עם נקבוביות-בצורת גלגל עגלה ננומטריים

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

פיצוץ כימות באמצעות מוטות לחץ הופקינסון

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

המדידה לחץ Surface בלתי עמיד באמצעות בדיקת מיקרופון מרחוק

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

מליטה מרככת עבור ייצור של PMMA ו COP מכשירי microfluidic

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

מתודולוגיה רווח-פיצוי עבור סריקה סינוסי המראה גַלוָנוֹמֶטֶר ב פרופורציונלי-אינטגרל-דיפרנציאל בקרה באמצעות טכניקות טרום דגש

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

המחקר של הניסוי מפסק הקונכייה וסימולציות עבור כור מחקר

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

לימוד התגובה הטיה מתנדנדות משרעת גדולה של חומרים רכים

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