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

Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.

1. Tillverkning av den mjuka kapacitiva tryckgivaren med ett poröst PDMS dielektriskt skikt
<ol><li>Tillverkning av det porösa PDMS dielektriska skiktet<ol><li>Förbered den porösa mallen för socker/erytritol enligt stegen nedan.<ol><li>Filtrera sockret med provsiktar med slitsbredd 270 μm och 500 μm. Välj socker med en partikeldiameter i intervallet 270-500 μm. OBS: En större eller mindre sockerpartikelstorlek är också acceptabel så länge enhetligheten ligger inom toleransgränserna. S...

<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>

Detta arbete föreslår en enkel metod baserad på lösningsmedelsindunstning för att kontrollera porositeten, och en serie experimentella resultat har visat sin genomförbarhet. Även om den porösa strukturen har använts i stor utsträckning i den flexibla kapacitiva trycksensorn, behöver porositetskontrollen fortfarande ytterligare optimering. Till skillnad från befintliga metoder för att ändra partikelstorleken på PFA 11,12,13,18,19 och förhållandet mellan polymersubstrat och PFA <sup...

Under de senaste åren har flexibla trycksensorer uppmärksammats på grund av deras oumbärliga tillämpning i mjuk robotik 1,2,3, "man-maskin" haptiska gränssnitt4,5 och hälsoövervakning 6,7,8. I allmänhet inkluderar mekanismerna för tryckavkänning piezoresistiv 1,4,7, piezoelektrisk 2,6, kapacitiv 2,3,9,10,11,12,13 och triboelektrisk 8 Sensorer. Bland dem sticker kapacitiva trycksensorer ut som en av de mest lovande metoderna inom taktil avkänning på grund av deras höga känslighet, låga detektionsgräns (LOD) etc.
För bättre avkänningsprestanda har olika mikrostrukturer såsom mikropyramider 2,9,14, mikropelare 15 och mikroporer9,10,11,12,13,16,17 introducerats till flexibla kapacitiva trycksensorer, och tillverkningsmetoderna har också optimerats för att ytterligare förbättra avkänningen prestanda av sådana strukturer. De flesta av dessa strukturer kräver dock sofistikerade mikrofabrikationsanläggningar, vilket avsevärt ökar tillverkningskostnaderna och driftssvårigheterna. Till exempel, som den vanligaste mikrostrukturen i mjuktryckssensorer, förlitar sig mikropyramider på litografiskt definierade och våtetsade Si-skivor som gjutmall, vilket kräver precisionsutrustning och en strikt renrumsmiljö 9,14. Därför har mikroporstrukturer (porösa strukturer) som kan tillverkas genom enkla tillverkningsprocesser och med billiga råvaror samtidigt som höga avkänningsprestanda bibehålls uppmärksammats ökat nyligen 9,10,11,12,13,16,17 . Detta kommer att diskuteras, tillsammans med nackdelarna med att ändra PFA och dess mängd, som motivation för att använda vår fraktionskontrollmetod.
Häri föreslår detta arbete en enkel och billig metod baserad på lösningsmedelsindunstningstekniken för att tillverka en porös flexibel kapacitiv trycksensor med kontrollerbar porositet. Den kompletta tillverkningsprocessen inkluderar tillverkning av det porösa PDMS-dielektriska skiktet, skrapbeläggningen av elektroderna och bindningen av tre funktionella skikt. Specifikt använder detta arbete innovativt en PDMS / toluenblandad lösning med ett visst massförhållande för att tillverka det porösa PDMS-dielektriska skiktet baserat på socker/erytritolblandningsmallen. Samtidigt säkerställer en enhetlig PFA-partikelstorlek enhetlig pormorfologi och fördelning; Således kan porositeten kontrolleras genom att ändra PDMS / toluenmassförhållandet. De experimentella resultaten visar att känsligheten hos den föreslagna trycksensorn kan förbättras mer än dubbelt genom att öka PDMS / toluenmassförhållandet från 1: 8 till 1: 1. Variationen i mikroporväggens tjocklek på grund av olika PDMS / toluenmassförhållanden bekräftas också av optiska mikroskopbilder. Den optimerade mjuka kapacitiva trycksensorn visar en hög avkänningsprestanda med en känslighet och responstid på 3,47% kPa−1 respektive 0,2 s. Denna metod uppnår snabb, billig och lättmanövrerad tillverkning av ett poröst dielektriskt skikt med kontrollerbar porositet.

<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

Mjuka trycksensorer spelar en viktig roll för att utveckla "man-maskin" taktil känsla i mjuk robotik och haptiska gränssnitt. Specifikt har kapacitiva sensorer med mikrostrukturerade polymermatriser utforskats med stor ansträngning på grund av deras höga känslighet, breda linjäritetsområde och snabba svarstid. Förbättringen av avkänningsprestandan är emellertid ofta beroende av det dielektriska skiktets strukturella design, vilket kräver sofistikerade mikrofabrikationsanläggningar. Denna artikel rapporterar en enkel och billig metod för att tillverka porösa kapacitiva trycksensorer med förbättrad känslighet med hjälp av lösningsmedelsindunstningsbaserad metod för att ställa in porositeten. Sensorn består av ett poröst polydimetylsiloxan (PDMS) dielektriskt skikt bundet med topp- och bottenelektroder tillverkade av elastiska ledande polymerkompositer (ECPC). Elektroderna framställdes genom skrapbeläggning av kolnanorör (CNT)-dopad PDMS ledande uppslamning till formmönstrade PDMS-filmer. För att optimera porositeten hos det dielektriska skiktet för förbättrad avkänningsprestanda späddes PDMS-lösningen med toluen med olika massfraktioner istället för att filtrera eller mala det sockerporbildande medlet (PFA) i olika storlekar. Avdunstningen av toluenlösningsmedlet möjliggjorde snabb tillverkning av ett poröst dielektriskt skikt med kontrollerbara porositeter. Det bekräftades att känsligheten kunde förbättras mer tvåfaldigt när förhållandet toluen till PDMS ökades från 1:8 till 1:1. Forskningen som föreslås i detta arbete möjliggör en billig metod för att tillverka helt integrerade bioniska mjuka robotgripdon med mjuka sensoriska mekanoreceptorer av avstämbara sensorparametrar.

Fotografiet av den porösa mallen för klumpat socker/erytritol visas i figur 3A. Figur 3B visar det flexibla elektrodskiktet med ett skrapbelagt ECPC-mönster. Figur 3C visar den mjuka kapacitiva trycksensorn med ett poröst dielektriskt skikt tillverkat med den föreslagna metoden. Fyra porösa PDMS dielektriska skikt tillverkades baserat på PDMS / toluenlösningar med olika massförhållanden på 1: 1, 3: 1, 5:...

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

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

En enkel och kostnadseffektiv tillverkningsmetod baserad på lösningsmedelsindunstningstekniken presenteras för att optimera prestandan hos en mjuk kapacitiv trycksensor, som möjliggörs av porositetskontroll i det dielektriska skiktet med olika massförhållanden för gjutnings-PDMS / toluenlösningen.

Känslighetsförbättring av mjuka kapacitiva trycksensorer med hjälp av en lösningsmedelsindunstningsbaserad porositetskontrollteknik

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

Vi föreslog en ny metod för att tillverka flexibla konkurrerande tryckgivare med kontrollerbar prestanda. Det åstadkoms genom att justera lösningsmedelsmassfraktionen för att kontrollera porositeten hos det dielektriska skiktet. Optimering av den konkurrenskraftiga trycksensorn uppnås genom en kostnadseffektiv och enkel driftsmetod som undviker användning av sofistikerade mikrofabrikationsanläggningar.För att tillverka det porösa PDMS-dielektriska skiktet, väg filtrerat socker och erytritolpulver med ett massförhållande på 20 till 1 och blanda dem jämnt genom skakning. Fyll blandningen i en kommersiellt erhållen sockererytritolmetallform och tryck på ytan för att göra fyllmedlet kompakt. Värm blandningen i en konvektionsugn vid 135 grader Celsius i två timmar.Låt blandningen svalna vid rumstemperatur efter uppvärmning innan du tar bort klumpplattans socker. För att tillverka det porositetskontrollerbara PDMS-dielektriska skiktet, väg fem gram toluen, fem gram PDMS-bas och 0,5 gram PDM-härdningsmedel i ett centrifugrör och rör om lösningen jämnt. Centrifugera lösningen vid 875G i 30 sekunder vid rumstemperatur för att avlägsna luftbubblor.Lägg den fyrkantiga socker-erytritolporösa mallen i en petriskål. Sätt in dubbelhäftande tejp som distanser under de fyra hörnen för att lyfta mallen från petriskålens yta. Häll PDMS-toluenlösningen i mallen och luta skålen något för att fylla alla luckor bland sockerpartiklarna.Lägg sedan skålen i en vakuumexsickator och avgasa i 20 minuter. Efter avgasning, överför skålen från exsickatorn till ugnen vid 90 grader Celsius i 45 minuter för att avdunsta toluen och härda det flytande PDMS. Därefter fördjupa det härdade PDMS inbäddat i den porösa mallen i avjoniserat vatten.Värm på en värmeplatta vid 140 grader Celsius tills sockermallen löser sig helt och rengör det porösa PDMS med avjoniserat vatten. För tillverkning av de flexibla elektrodskikten baserade på ECPC, syntetisera först ECPC-bläck genom att väga 0,16 gram kolnanorör eller CNT och fyra gram toluen i en bägare. Täck bägaren med tätningsfilm för att förhindra avdunstning av lösningsmedel och rör om magnetiskt vid 250 varv / min i 90 minuter.Väg upp två gram PDMS-bas och två gram toluen i en bägare och placera på en magnetomrörare vid 200 varv / min i en timme. Efter beredning av båda lösningarna, blanda CNTs toluensuspension med PDMS-bastoluenlösningen och täck bägaren med en tätningsfilm. Rör om magnetiskt vid 250 varv / min i två timmar.Efter blandning, avslöja bägaren och tillsätt 0,2 g PDMS-härdningsmedel i den blandade lösningen. Rör om magnetiskt vid 75 grader Celsius och 250 varv / min i en timme. För att skrapbelägga elektroderna, väg toluen, PDMS-bas och PDMS-härdningsmedel i ett centrifugrör med ett massförhållande på 2 till 10 till 1 och rör om lösningen jämnt.Centrifugera sedan lösningen vid 875G i 30 sekunder vid rumstemperatur för att avlägsna luftbubblor. Häll 1,3 gram PDMS-toluenlösning i en kommersiellt erhållen elektrodmetallform med ett präglat elektrodmönster. Placera formen i en vakuumexsickator och avgasa i 10 minuter.Härda sedan PDMS i formen på en värmeplatta vid 90 grader Celsius i 15 minuter. Efter kylning vid rumstemperatur, dra av den mönstrade PDMS-filmen. Fäst den plana sidan av PDMS-filmen på en kiselskiva.Skrapa in ECPC-bläcket i elektrodmönstret. Härda ECPC: s bläck på värmeplattan vid 90 grader Celsius i 15 minuter. För limning och förpackning av de mjuka kapacitiva sensorerna, fäst metalltråden på elektroden.Släpp silverledande färg på anslutningsplatsen för god ledningsförmåga och vänta tills den silverledande färgen torkar. Släpp PDMS-lösningen på anslutningen för att helt försegla den torkade silverledande färgen. Bota PDMS på en värmeplatta vid 90 grader Celsius i 15 minuter.Efter härdning, upprepa stegen för att ansluta ledningen för de övre och nedre elektrodskikten. Applicera ett tunt lager PDMS jämnt på elektrodfilmen som ett vidhäftningsskikt för bindning mellan elektroden och de dielektriska skikten. Placera sedan det porösa PDMS-dielektriska skiktet tillverkat på elektrodskiktet.Bota PDMS-limet vid 95 grader Celsius i 10 minuter. Lägg en petriskål av glas på det porösa PDMS för att säkerställa god kontakt mellan de två skikten under uppvärmningen. Applicera ett tunt lager PDMS jämnt på det andra elektrodskiktet.Vänd sedan det bundna elektroddielektriska skiktet och placera det på det andra elektrodskiktet. Efter inriktning av de två elektroderna, avsluta bindningen mellan det porösa PDMS-skiktet och det andra elektrodskiktet. För att testa avkänningsprestanda, styr stegmotorn för att driva indentorn att röra sig vertikalt med ett programmerat avstånd.Registrera kapacitansen och standardtryckdata genom att öka belastningskraften med samma intervall i varje på varandra följande belastningscykel tills belastningstrycket når 40 Newton. Kontrollera igen stegmotorn och registrera kapacitansen och standardtryckdata. Upprepa belastnings- och lossningstesterna i 2 500 cykler medan du registrerar kapacitansen hos den enhet som testas som en funktion av standardtryckavläsningen.Kontrollera indentorn för att trycka ner snabbt och förbli stabil i några sekunder innan du återgår till noll Newton-belastning. Upprepa denna procedur fem gånger och registrera kapacitansen som en funktion av tiden. Optiska mikroskopbilder av de porösa PDMS-dielektriska skikten tillverkade med olika PDMS-toluenmassförhållanden visade att porväggtjockleken minskade med ett ökande massförhållande för PDMS-toluenlösningen.Simuleringsanalysen visade att en högre porositet bidrog till en större tryckstam, med förbättrad linjäritet under samma applicerade kompressionstryck. Kapacitanstrycksvarskurvan för sensorerna med porösa PDMS-dielektriska skikt med olika PDMS-toluenmassförhållanden uppvisade olika känslighet. I tryckbelastningsområdet 0 till 10 kilopascal uppvisade sensorn med ett till ett PDMS-toluenmassförhållande dubbelt högre känslighet än sensorn med åtta till en PDMS-toluenmassförhållande.Vid ökat tryck minskade det dielektriska skiktets porer gradvis i storlek, vilket minskade känsligheten tills det nådde samma nivå för alla porositeter. Det kapacitiva svaret på fem på varandra följande lastnings- och lossningstester under samma belastningstryck på 10 kilopascal visas. Svarstiden för laddning befanns vara 0,2 sekunder.De cykliska testerna avslöjade att den tillverkade mjuka kapacitiva sensorn hade utmärkt repeterbarhet efter 2 500 cykler. Porositeten hos det dielektriska PDMS-skiktet minskar när PDMS-toluenmassförhållandet ökar, vilket påverkar sensorns prestanda.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Printing Med hjälp av en digital projektor och dess tillämpning i studien av mjuka material Mekanik

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

Syntes och Microdiffraction vid extrema tryck och temperaturer

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

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

Casting Protokoll för produktion av Open Cell Aluminium Skum av replikering Teknik och Effekt på Porositet

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

Upptäckt och Återvinning av palladium, guld och kobolt Metals från Urban Mine Använda Nya Sensorer / Adsorbents Utsedda med Nanoscale Wagon-hjulformade porer

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

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

Blast Kvantifiering Använda 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

Mätningen av Ostadig yttryck med hjälp av en fjärrkontroll mikrofon Probe

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

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Lösningsmedelsbindning för framställning av PMMA och COP Mikrofluidikanordningar

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

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

Gain-kompensation Metodik för en sinus Scan av en galvanometerspegel i proportional-integral-differentialkontroll Använda förbetoning Techniques

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 med sifon Breaker Experiment och simuleringar för en forskningsreaktor

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

Studera stor amplitud oscillerande skjuvning svar av mjuka material

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