基于微流体通道的柔性电极及其在电容式压力传感中的应用

摘要

柔性电极在软体机器人和可穿戴电子设备领域具有广泛的应用。本实验方案展示了一种制备高分辨率、高拉伸性电极的新策略。 通过 光刻定义的微流体通道，为未来高性能柔性压力传感器的发展铺平了道路。

摘要

柔性与可拉伸电极是软体人工感知系统中的关键组成部分。尽管柔性电子技术近年来取得了进展，但大多数电极仍受限于图案化分辨率，或难以通过喷墨打印方式处理高黏度的超弹性材料。本文提出一种简便的策略，用于制备基于微通道的可拉伸复合电极，该方法可通过将弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）刮涂至光刻压印形成的微流控通道中实现。ECPCs采用挥发性溶剂蒸发法制备，实现了碳纳米管（CNTs）在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中的均匀分散。与传统制备方法相比，该技术可实现高黏度浆料下结构清晰的可拉伸电极的快速制备。由于本研究中的电极完全由弹性材料构成，因此在微通道侧壁界面处，基于ECPCs的电极与基于PDMS的基底之间可形成牢固的连接，使电极在高拉伸应变下仍具备良好的机械稳定性。此外，本文还系统研究了电极的力-电响应特性。最后，通过结合介电硅胶泡沫与叉指电极（IDE）层，开发出一种柔性压力传感器，展示了其在软体机器人触觉感知应用中作为压力传感器的巨大潜力。

引言

柔性压力传感器已在气动机器人夹持器¹、可穿戴电子设备²、人机交互系统³等应用中得到广泛研究。在这些应用中，传感系统需要具备柔韧性和可拉伸性，以确保与任意曲面实现紧密贴合。因此，包括基底、传感元件和电极在内的所有关键组件，都必须在极端形变条件下保持稳定的性能⁴。此外，为了维持高传感性能，必须将柔性电极的形变控制在最低水平，以避免对电信号检测造成干扰⁵。

作为柔性压力传感器的核心组件之一，能够承受高应力和高应变水平的可拉伸电极对于器件保持稳定的导电通路和阻抗特性至关重要^6,7。性能优异的柔性电极通常具备以下两个特征：1）在微米尺度上具有高空间分辨率；2）具有高拉伸性，并与基底形成强粘附力；这些特性对于实现可穿戴尺寸下的高度集成柔性电子器件不可或缺⁸。因此，近年来已提出多种策略来开发具备上述特性的柔性电极，例如喷墨打印、丝网打印、喷涂打印和转移打印等⁹。其中，喷墨打印方法⁶ 因其....

方案

1. ECPC浆料的合成

1. 将碳纳米管（CNTs）按1:30的质量比分散于甲苯溶剂中，并将PDMS基体按1:1的质量比用甲苯稀释。
   注意：整个实验过程如图1所示，应在通风良好的通风橱中进行。
2. 在室温下对碳纳米管/甲苯悬浮液和PDMS/甲苯溶液进行磁力搅拌1小时。
   注意：此步骤有助于在后续步骤中将碳纳米管良好地分散到PDMS基体中。
3. 将碳纳米管/甲苯悬浮液与PDMS/甲苯溶液混合，形成液态的碳纳米管/PDMS/甲苯混合物，并在80 °C的加热板上对该混合物进行磁力搅拌，以蒸发溶剂（甲苯）。
   注意：溶剂的蒸发会增加溶液黏度，需精确控制该黏度以利于下一步的混合过程。完全蒸发溶剂所需时间为2小时。
4. 按10:1的质量比向碳纳米管/PDMS/甲苯混合物中加入PDMS固化剂。
   注意：此时，导电聚合物复合材料（ECPCs）浆料的合成已完成。

2. 基于微流体通道的可拉伸电极的制备

1. 在硅片上使用常规光刻技术制备具有不同微流道图案的SU-8基模具。
   注意：模具的光刻过程遵循所用光刻胶数据表中推荐的标准方法；模具厚度约为100 µm，所有线路结构采用三种不同的线宽：50 µm、100 ....

结果

根据该方案，可通过微流控通道对ECPCs进行图案化，从而形成具有高分辨率的可拉伸电极。图3A、B展示了具有不同走线设计和打印分辨率的柔性电极的照片。图3C展示了所制备电极的不同线宽，包括50 µm、100 µm和200 µm。各电极的电阻如图3D所示，结果显示电阻随线宽减小而增加，这与欧姆定律的预期一致。由于蛇形电极的有效长度更长，其电阻也高于相同宽度的直线结构电极。柔性电极的可拉伸性在图3E中也得到验证，强界面结合使电极表现出与PDMS基底相似的优异拉伸性能。同时观察到，在0%–30%的拉伸应变测试范围内，直线型和蛇形电极的电阻均随纵向拉伸应变呈线性增加。结果表明，电阻的变化可完全归因于几何效应。由于应变释放效应，相同线宽下蛇形电极的灵敏度（S_p）低于直线结构电极的灵敏度（S_l）。此外，.......

讨论

在本实验方案中，我们展示了一种基于新型微流控通道的可拉伸电极打印方法。电极的导电材料即 ECPCs 浆料，可通过溶剂蒸发法制备，该方法可使碳纳米管（CNTs）充分分散于聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中，从而形成一种导电聚合物，其拉伸性能可达到与 PDMS 基底相当的高水平。

在刮涂过程中，借助刀片可将 ECPC 浆料快速填充至 PDMS 微流控通道内。因此，浆料的黏度在刮涂操作中起着关键作用。若 ECPC 浆料黏度过低，会导致微通道填充不完全，可能引起开路状态或显著增大的电阻；而黏度过高则可能导致过多浆料残留在 PDMS 表面，从而在高分辨率叉指电极（IDE）结构中引发短路。还应注意，尽管导电碳纳米管（CNTs）在 ECPC 浆料中仅占 7 wt.% 的少量比例，电极仍呈现兆欧级的高电阻，但这对柔性电容式压力传感器的传感性能影响可忽略不计。

该方法不适用于制备高导电性电极。因此，需要进一步研究掺杂碳纳米管的聚二甲基硅氧烷导电网络的增强方案，以在拉伸时保持电极的导电性。

与.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机	OPLENIC 数码相机
碳纳米管（CNTs）	南京先锋纳米技术		直径：10-20 nm，长度：10-30 μm
加热磁力搅拌器	赛默飞世尔科技	Super-Nuova+	搅拌与加热设备
LCR 电桥	Keysight	E4980AL	电容测量设备
显微镜	SDPTOP
万用表	扁虫		电阻测量设备
烘箱	Yamoto	DX412C	加热设备
光刻掩模	深圳维纳电子科技
光刻胶	微化学	SU-8 3050
聚二甲基硅氧烷（PDMS）	道康宁	Sylgard 184	硅弹性体
硅胶泡沫	平滑处理	Soma Foama 25	双组分铂金硅胶软质泡沫
硅胶晶圆	苏州晶硅电子 &科技		直径：2英寸
搅拌器	IKA	彩色鱿鱼	搅拌设备
甲苯	国药集团化学试剂		制备ECPCs的溶剂
三乙氧基硅烷	Macklin