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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이 연구는 그랜트 62273304 (Grant )의 중국 국립 자연 과학 재단 (National Natural Science Foundation of China)의 지원을 받았다.

1. 다공성 PDMS 유전체층을 이용한 연질 정전용량압력 센서 제작
<ol><li>다공성 PDMS 유전체층의 제조<ol><li>아래 단계에 따라 설탕/에리스리톨 다공성 템플릿을 준비합니다.<ol><li>구멍이 270 μm 및 500 μm인 시료 체로 설탕을 여과합니다. 입자 직경이 270-500 μm 인 설탕을 선택하십시오. 알림: 균일성이 허용 한계 내에 있는 한 더 크거나 작은 설탕 입자 크기도 허용됩니다. 당 입자의 직경?...

<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>

이 연구는 다공성을 제어하기 위해 용매 증발을 기반으로 한 간단한 방법을 제안하고 일련의 실험 결과가 그 타당성을 입증했습니다. 다공성 구조가 유연한 용량성 압력 센서에 널리 사용되었지만 다공성 제어는 여전히 추가 최적화가 필요합니다. PFA 11,12,13,18,19의 입자 크기 및 PFA <...

최근 몇 년 동안, 유연한 압력 센서는 소프트 로봇공학 1,2,3, "인간-기계"햅틱 인터페이스 (4,5) 및 건강 모니터링(6,7,8)에 없어서는 안될 응용 프로그램으로 인해 주목을 받고 있습니다. 일반적으로, 압력 감지를 위한 메커니즘은 압전 저항 1,4,7, 압전 2,6, 용량 성 2,3,9,10,11,12,13 및 마찰 전기 8을 포함한다 센서. 그 중 정전식 압력 센서는 높은 감도, 낮은 감지 한계(LOD) 등으로 인해 촉각 감지에서 가장 유망한 방법 중 하나로 두드러집니다.
더 나은 감지 성능을 위해 미세 피라미드 2,9,14, 마이크로 필러15 및 마이크로 기공9,10,11,12,13,16,17과 같은 다양한 미세 구조가 유연한 용량 성 압력 센서에 도입되었으며 제조 방법도 최적화되어 감지를 더욱 향상시킵니다 그러한 구조의 공연. 그러나 이러한 구조의 대부분은 정교한 미세 가공 시설을 필요로 하므로 제조 비용과 운영상의 어려움이 크게 증가합니다. 예를 들어, 연질 압력 센서에서 가장 일반적으로 사용되는 미세 구조인 미세 피라미드는 정밀 장비와 엄격한 클린룸 환경을 필요로 하는 성형 템플릿으로 리소그래피로 정의되고 습식 에칭된 Si 웨이퍼에 의존합니다 9,14. 따라서, 높은 센싱 성능을 유지하면서 저가의 원료로 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있는 미세 기공 구조(porous structures)가 최근 주목을 받고 있다(9,10,11,12,13,16,17 . 이것은 PFA 및 그 양을 변경하는 단점과 함께 분획 제어 방법을 사용하는 동기로 논의될 것입니다.
본 발명에서는 다공성을 조절할 수 있는 다공성 플렉시블 용량성 압력 센서를 제작하기 위해 용매 증발 기술을 기반으로 간단하고 저렴한 방법을 제안한다. 전체 제조 공정에는 다공성 PDMS 유전체층의 제조, 전극의 스크랩 코팅 및 3개의 기능성 층의 접합이 포함됩니다. 구체적으로, 이 작업은 특정 질량비의 PDMS/톨루엔 혼합 용액을 혁신적으로 사용하여 설탕/에리스리톨 혼합 템플릿을 기반으로 다공성 PDMS 유전층을 제작합니다. 한편, 균일한 PFA 입자 크기는 균일한 기공 형태 및 분포를 보장합니다. 따라서, 다공성은 PDMS/톨루엔 질량비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 실험 결과는 PDMS/톨루엔 질량비를 1:8에서 1:1로 증가시킴으로써 제안된 압력 센서의 감도를 2배 이상 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. PDMS/톨루엔 질량 비율의 차이로 인한 미세 기공 벽 두께의 변화도 광학 현미경 이미지로 확인됩니다. 최적화된 소프트 정전식 압력 센서는 각각 3.47% kPa-1 및 0.2s의 감도와 응답 시간으로 높은 감지 성능을 보여줍니다. 이 방법은 제어 가능한 다공성을 가진 다공성 유전체층의 빠르고 저렴하며 조작하기 쉬운 제조를 달성합니다.

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	<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

소프트 압력 센서는 소프트 로봇 및 햅틱 인터페이스에서 "인간-기계" 촉각을 개발하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 미세 구조 폴리머 매트릭스가 있는 정전식 센서는 높은 감도, 넓은 선형성 범위 및 빠른 응답 시간으로 인해 상당한 노력을 기울여 연구되었습니다. 그러나 감지 성능의 향상은 종종 정교한 미세 가공 시설이 필요한 유전체층의 구조 설계에 의존합니다. 이 기사에서는 다공성을 조정하기 위해 용매 증발 기반 방법을 사용하여 감도가 향상된 다공성 정전 용량 압력 센서를 제조하는 간단하고 저렴한 방법을 보고합니다. 이 센서는 탄성 전도성 고분자 복합재(ECPC)로 만들어진 상단 및 하단 전극과 결합된 다공성 폴리디메틸실록산(PDMS) 유전체층으로 구성됩니다. 전극은 탄소 나노튜브(CNT)가 도핑된 PDMS 전도성 슬러리를 몰드 패턴의 PDMS 필름에 긁어 코팅하여 제조되었습니다. 향상된 감지 성능을 위해 유전체층의 다공성을 최적화하기 위해 PDMS 용액을 당 공극 형성제(PFA)를 다양한 크기로 여과하거나 분쇄하는 대신 다양한 질량 분율의 톨루엔으로 희석했습니다. 톨루엔 용매의 증발은 제어 가능한 다공성을 갖는 다공성 유전체층의 빠른 제조를 가능하게 하였다. 톨루엔 대 PDMS 비율을 1:8에서 1:1로 증가시켰을 때 감도가 2배 더 향상될 수 있음을 확인했습니다. 이 연구에서 제안된 연구는 조정 가능한 센서 매개변수의 소프트 감각 기계 수용체를 사용하여 완전히 통합된 생체 공학 소프트 로봇 그리퍼를 제조하는 저비용 방법을 가능하게 합니다.

덩어리 설탕/에리스리톨 다공성 템플릿의 사진은 그림 3A에 나와 있습니다. 도 3B는 스크랩 코팅된 ECPCs 패턴을 갖는 플렉서블 전극층을 나타낸다. 도 3C는 제안된 방법으로 제작된 다공성 유전체층을 갖는 소프트 용량성 압력 센서를 나타낸다. 4개의 다공성 PDMS 유전체층은 각각 1:1, 3:1, 5:1 및 8:1의 서로 다른 질량비를 ...

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

용매 증발 기술을 기반으로 하는 간단하고 비용 효율적인 제조 방법이 제시되어 성형 PDMS/톨루엔 용액의 다양한 질량비를 사용하여 유전층의 다공성 제어로 구현되는 소프트 용량성 압력 센서의 성능을 최적화합니다.

용매 증발 기반 다공성 제어 기술을 사용한 Soft Capacitive Pressure Sensor의 감도 향상

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

우리는 제어 가능한 성능으로 유연한 경쟁력 있는 압력 센서를 제작하는 새로운 방법을 제안했습니다. 용매 질량 분율을 조정하여 유전층의 다공성을 조절함으로써 달성된다. 경쟁력 있는 압력 센서의 최적화는 정교한 미세 가공 시설을 사용하지 않는 비용 효율적이고 쉬운 작동 방법을 통해 달성됩니다.다공성 PDMS 유전체층을 제조하기 위하여, 여과된 당과 에리스리톨 분말을 질량비 20:1로 칭량하여 진탕하여 고르게 혼합한다. 혼합물을 상업적으로 입수한 설탕 에리스리톨 금형에 채우고 표면을 눌러 필러를 압축합니다. 혼합물을 섭씨 135도의 대류 오븐에서 2시간 동안 가열합니다.가열 후 혼합물을 실온에서 식힌 후 덩어리 판 설탕을 제거합니다. 다공성 조절이 가능한 PDMS 유전체층을 제작하기 위해 원심분리관에 톨루엔 5g, PDMS 염기 5g, PDM 경화제 0.5g을 계량하여 용액을 고르게 저어준다. 용액을 실온에서 875G에서 30초 동안 원심분리하여 기포를 제거합니다.정사각형 설탕-에리스리톨 다공성 템플릿을 페트리 접시에 넣습니다. 네 모서리 아래에 양면 테이프를 스페이서로 삽입하여 페트리 접시 표면에서 템플릿을 들어 올립니다. PDMS 톨루엔 용액을 템플릿에 붓고 접시를 약간 기울여 설탕 입자 사이의 모든 틈을 채웁니다.그런 다음 접시를 진공 데시케이터에 넣고 20분 동안 가스를 제거합니다. 탈기 후 데시케이터에서 접시를 섭씨 90도의 오븐으로 45분 동안 옮겨 톨루엔을 증발시키고 액체 PDMS를 경화시킵니다. 다음으로, 다공성 템플릿에 내장된 경화된 PDMS를 탈이온수에 담근다.설탕 템플릿이 완전히 용해될 때까지 섭씨 140도의 핫플레이트에서 가열하고 탈이온수로 다공성 PDMS를 세척합니다. ECPC를 기반으로 한 유연한 전극층을 제조하기 위해 먼저 비커에서 0.16g의 탄소 나노튜브(CNT)와 4g의 톨루엔을 칭량하여 ECPC 잉크를 합성합니다. 용매 증발을 방지하기 위해 밀봉 필름으로 비커를 덮고 250RPM에서 90분 동안 자기적으로 저어줍니다.비커에 PDMS 베이스 2g과 톨루엔 2g의 무게를 측정하고 200RPM의 자기 교반기에 1시간 동안 놓습니다. 두 용액을 모두 준비한 후 CNT 톨루엔 현탁액을 PDMS 기본 톨루엔 용액과 혼합하고 밀봉 필름으로 비커를 덮습니다. 250RPM에서 2시간 동안 자기적으로 저어줍니다.혼합 후 비커를 열고 혼합 용액에 PDMS 경화제 0.2g을 추가합니다. 섭씨 75도, 250RPM에서 1시간 동안 자석으로 저어줍니다. 전극을 긁어내기 위해 톨루엔, PDMS 베이스, PDMS 경화제를 질량비 2:10:1의 원심분리관에 칭량하여 용액을 고르게 저어줍니다.그 후, 용액을 875G에서 실온에서 30초 동안 원심분리하여 기포를 제거하였다. 1.3g의 PDMS 톨루엔 용액을 엠보싱 전극 패턴이 있는 상업적으로 입수한 전극 금형에 붓습니다. 금형을 진공 데시케이터에 넣고 10분 동안 가스를 제거합니다.그 후, 금형 내의 PDMS를 섭씨 90도의 핫플레이트에서 15분 동안 경화시킨다. 실온에서 식힌 후 패터닝된 PDMS 필름을 떼어낸다. PDMS 필름의 평평한 면을 실리콘 웨이퍼에 부착합니다.ECPC 잉크를 전극 패턴에 긁어 코팅합니다. 섭씨 90도의 핫플레이트에서 ECPC의 잉크를 15분 동안 경화시킵니다. 소프트 정전식 센서의 접착 및 패키징을 위해 금속 와이어를 전극에 부착하십시오.전도성이 좋도록 연결 위치에 은 전도성 페인트를 떨어뜨리고 은 전도성 페인트가 마를 때까지 기다리십시오. PDMS 용액을 연결부에 떨어뜨려 건조된 은 전도성 페인트를 완전히 밀봉합니다. 섭씨 90도의 핫 플레이트에서 PDMS를 15분 동안 경화시킵니다.경화 후 상부 및 하부 전극층용 와이어를 연결하는 단계를 반복합니다. 전극과 유전체층 사이의 접착을 위한 접착층으로 PDMS의 얇은 층을 전극 필름에 고르게 도포합니다. 이어서, 전극층 위에 제작된 다공성 PDMS 유전체층을 위치시킨다.PDMS 접착제를 섭씨 95도에서 10분 동안 경화시킵니다. 유리 페트리 접시를 다공성 PDMS에 놓아 가열하는 동안 두 층 사이의 양호한 접촉을 보장합니다. PDMS의 얇은 층을 다른 전극층에 고르게 도포합니다.그런 다음 접합된 전극 유전체층을 역전시켜 다른 단일 전극층 위에 놓습니다. 두 전극을 정렬한 후 다공성 PDMS층과 다른 전극층 사이의 접합을 마칩니다. 감지 성능을 테스트하려면 스테핑 모터를 제어하여 인덴터가 프로그래밍된 거리만큼 수직으로 아래로 이동하도록 합니다.부하 압력이 40N에 도달할 때까지 각 연속 부하 주기에서 동일한 간격으로 부하력을 증가시켜 커패시턴스와 표준 압력 데이터를 기록합니다. 다시 스테핑 모터를 제어하고 커패시턴스와 표준 압력 데이터를 기록합니다. 2, 500 사이클 동안 로딩 및 언로딩 테스트를 반복하면서 테스트 중인 장치의 커패시턴스를 표준 압력 판독값의 함수로 기록합니다.인덴터를 제어하여 빠르게 아래로 누르고 몇 초 동안 안정된 상태를 유지한 후 0뉴턴 하중으로 돌아갑니다. 이 절차를 다섯 번 반복하고 커패시턴스를 시간의 함수로 기록합니다. 상이한 PDMS 톨루엔 질량비로 제작된 다공성 PDMS 유전체층의 광학현미경 이미지는 PDMS 톨루엔 용액의 질량비가 증가함에 따라 기공벽 두께가 감소하는 것으로 나타났다.시뮬레이션 분석에 따르면 다공성이 높을수록 압축 변형률이 커지고 동일한 압축 압력에서 선형성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 상이한 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 다공성 PDMS 유전체층을 갖는 센서들의 커패시턴스 압력 응답 곡선은 상이한 감도를 나타내었다. 0 내지 10 킬로파스칼의 압력 하중 범위에서, 1 대 1 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 센서는 8 대 1 PDMS 톨루엔 질량비를 갖는 센서보다 2배 더 높은 감도를 나타내었다.압력이 증가하면 유전체 층의 기공은 점차 크기가 줄어들어 모든 다공에 대해 동일한 수준에 도달할 때까지 감도가 감소합니다. 10킬로파스칼의 동일한 하중 압력 하에서 5개의 연속 하중, 언로딩 테스트에 대한 용량성 응답이 표시됩니다. 로딩 응답 시간은 0.2초로 나타났다.주기적인 시험에는 가공된 연약한 전기 용량 감지기가 2, 500 주기 후에 우수한 반복성이 있었다는 것을 밝혀냈다. PDMS 유전체층의 다공성은 PDMS 톨루엔 질량비가 증가함에 따라 감소하여 센서 성능에 영향을 미칩니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄

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 ...

연구

공학

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

극단적 인 압력과 온도에서 합성 부위 회절

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

복제 기술에 의해 오픈 셀 알루미늄 발포체의 생산 및 기공의 효과에 대한 프로토콜 캐스팅

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

감지 및 팔라듐의 복구, 도시 광산에서 금과 코발트 금속은 나노 수레 바퀴 모양의 기공 지정 소설 센서 / 흡착제를 사용하여

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

폭발 정량화는 홉 킨슨 압력 막대를 사용하여

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

원격 프로브를 사용하여 마이크 비정상 면압 측정

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PMMA의 제조 및 COP 미세 유체 장치에 대한 솔벤트 본딩

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

프리 엠 퍼시스 기술을 사용하여 비례 - 적분 - 미분 제어에 검류계 미러의 사인 스캔에 대한 이득 보상 방법론

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

연구 반응 기에 대 한 사이 펀 브 레이 커 실험 및 시뮬레이션 연구

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

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