Method Article

الأقطاب الكهربائية اللينة القائمة على قناة الموائع الدقيقة وتطبيقاتها في استشعار الضغط السعوي

DOI:

10.3791/65175

⸱

March 17th, 2023

 ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الأقطاب الكهربائية المرنة لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في الروبوتات اللينة والإلكترونيات القابلة للارتداء. يوضح البروتوكول الحالي استراتيجية جديدة لتصنيع أقطاب كهربائية قابلة للتمدد بدرجة عالية ودقة عالية عبر قنوات الموائع الدقيقة المحددة بالطباعة الحجرية ، مما يمهد الطريق لأجهزة استشعار الضغط الناعم عالية الأداء في المستقبل.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تعتبر الأقطاب الكهربائية المرنة والقابلة للتمدد مكونات أساسية في الأنظمة الحسية الاصطناعية الناعمة. على الرغم من التطورات الحديثة في الإلكترونيات المرنة ، فإن معظم الأقطاب الكهربائية إما مقيدة بدقة الزخرفة أو قدرة الطباعة النافثة للحبر بمواد فائقة المرونة عالية اللزوجة. في هذا البحث ، نقدم استراتيجية بسيطة لتصنيع أقطاب كهربائية مركبة قابلة للتمدد تعتمد على القنوات الدقيقة ، والتي يمكن تحقيقها عن طريق كشط مركبات البوليمر الموصلة المرنة (ECPCs) في قنوات الموائع الدقيقة المنقوشة بالطباعة الحجرية. تم تحضير ECPCs بواسطة طريقة تبخير المذيبات المتطايرة ، والتي تحقق تشتتا موحدا للأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في مصفوفة polydimethylsiloxane (PDMS). بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية ، يمكن للتقنية المقترحة تسهيل التصنيع السريع لأقطاب كهربائية قابلة للتمدد محددة جيدا مع ملاط عالي اللزوجة. نظرا لأن الأقطاب الكهربائية في هذا العمل كانت مكونة من مواد مرنة بالكامل ، يمكن تشكيل روابط قوية بين الأقطاب الكهربائية القائمة على ECPCs والركيزة القائمة على PDMS في واجهات جدران القنوات الدقيقة ، مما يسمح للأقطاب الكهربائية بإظهار المتانة الميكانيكية تحت سلالات الشد العالية. بالإضافة إلى ذلك ، تمت دراسة الاستجابة الميكانيكية والكهربائية للأقطاب الكهربائية بشكل منهجي. أخيرا ، تم تطوير مستشعر الضغط الناعم من خلال الجمع بين رغوة السيليكون العازلة وطبقة الأقطاب الكهربائية المتداخلة (IDE) ، وهذا أظهر إمكانات كبيرة لأجهزة استشعار الضغط في تطبيقات استشعار اللمس الروبوتية الناعمة.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم استكشاف مستشعرات الضغط الناعم على نطاق واسع في تطبيقات مثل القابضات الروبوتيةالهوائية 1 ، والإلكترونيات القابلة للارتداء2 ، وأنظمة واجهة الإنسانوالآلة 3 ، إلخ. في مثل هذه التطبيقات ، يتطلب النظام الحسي المرونة والقدرة على التمدد لضمان الاتصال المطابق مع الأسطح المنحنية التعسفية. لذلك ، فإنه يتطلب جميع المكونات الأساسية ، بما في ذلك الركيزة وعنصر التحويل والقطب الكهربائي ، لتوفير وظائف متسقة في ظل ظروف التشوه الشديدة4. علاوة على ذلك ، للحفاظ على أداء الاستشعار العالي ، من الضروري الحفاظ على التغييرات في الأقطاب الكهربائية اللينة إلى الحد الأدنى لتجنب التداخل في إشارات الاستشعار الكهربائية5.

كأحد المكونات الأساسية في مستشعرات الضغط الناعم ، تعد الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القادرة على الحفاظ على مستويات الضغط والإجهاد العالية ضرورية للجهاز للحفاظ على مسارات موصلة مستقرة وخصائص مقاومة 6,7. عادة ما تمتلك الأقطاب الكهربائية اللينة ذات الأداء الممتاز 1) دقة مكانية عالية على مقياس ميكرومتر و 2) قابلية تمدد عالية مع ارتباط قوي بالركيزة ، وهذه خصائص لا غنى عنها لتمكين الإلكترونيات اللينة المتكاملة للغاية بحجميمكن ارتداؤه 8. لذلك ، تم اقتراح استراتيجيات مختلفة مؤخرا لتطوير أقطاب كهربائية ناعمة بالخصائص المذكورة أعلاه ، مثل الطباعة بالحبر النفاث ، وطباعة الشاشة ، والطباعة بالرش ، وطباعة النقل ، وما إلى ذلك. 9. تم استخدام طريقة الطباعة بنفث الحبر6 على نطاق واسع نظرا لمزاياها المتمثلة في التصنيع البسيط ، وعدم وجود متطلبات إخفاء ، وكمية منخفضة من نفايات المواد ، ولكن من الصعب تحقيق نقوش عالية الدقة بسبب القيود من حيث لزوجة الحبر. طباعة الشاشة10 والطباعة بالرش11 هي طرق نقش بسيطة وفعالة من حيث التكلفة تتطلب قناع ظل على الركيزة. ومع ذلك ، فإن عملية وضع القناع أو إزالته يمكن أن تقلل من وضوح النقش. على الرغم من أن الطباعة المنقولة4 قد تم الإبلاغ عنها لتكون طريقة واعدة لتحقيق طباعة عالية الدقة ، إلا أن هذه الطريقة تعاني من إجراء معقد وعملية طباعة تستغرق وقتا طويلا. علاوة على ذلك ، فإن معظم الأقطاب الكهربائية اللينة التي تنتجها طرق الزخرفة هذه لها عيوب أخرى ، مثل التفريغ من الركيزة.

هنا ، نقدم طريقة طباعة جديدة للتصنيع السريع للأقطاب الكهربائية اللينة الفعالة من حيث التكلفة وعالية الدقة بناء على تكوينات قناة الموائع الدقيقة. بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية الأخرى ، تستخدم الإستراتيجية المقترحة مركبات البوليمر الموصلة المرنة (ECPCs) كمادة موصلة وقنوات الموائع الدقيقة المنقوشة بالطباعة الحجرية لتصميم آثار القطب. يتم تحضير ملاط ECPCs بطريقة تبخر المذيبات ويتكون من أنابيب نانوية كربونية بوزن 7٪ (CNTs) مشتتة جيدا في مصفوفة polydimethylsiloxane (PDMS). من خلال كشط ملاط ECPCs في قناة الموائع الدقيقة ، يمكن إنتاج أقطاب كهربائية عالية الدقة محددة بواسطة الزخرفة الحجرية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن القطب يعتمد بشكل أساسي على PDMS ، يتم إنشاء روابط قوية عند الواجهة بين القطب القائم على ECPCs والركيزة PDMS. وبالتالي ، يمكن للقطب الكهربائي الحفاظ على مستوى تمدد مرتفع مثل ركيزة PDMS. تؤكد النتائج التجريبية أن القطب الكهربائي القابل للتمدد المقترح يمكن أن يستجيب خطيا للإجهادات المحورية بنسبة تصل إلى 30٪ ويظهر ثباتا ممتازا في نطاق ضغط عال من 0-400 كيلو باسكال ، مما يشير إلى الإمكانات الكبيرة لهذه الطريقة لتصنيع أقطاب كهربائية ناعمة في مستشعرات الضغط السعوي ، وهو ما يتضح أيضا في هذا العمل.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. توليف ملاط ECPCs

  1. تفريق الأنابيب النانوية الكربونية في مذيب التولوين بنسبة وزن 1:30 وتخفيف قاعدة PDMS مع التولوين بنسبة وزن 1: 1.
    ملاحظة: يجب تنفيذ الإجراء التجريبي بأكمله ، الموضح في الشكل 1 ، في غطاء دخان جيد التهوية.
  2. حرك مغناطيسيا تعليق CNTs / التولوين ومحلول PDMS / التولوين في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة.
    ملاحظة: تسمح هذه الخطوة بتوزيع الأنابيب النانوية الكربونية بشكل جيد في مصفوفة PDMS في الخطوة التالية.
  3. امزج معلق CNTs / التولوين ومحلول PDMS / التولوين لتشكيل خليط سائل CNTs / PDMS / التولوين ، وحرك هذا المزيج مغناطيسيا على لوح تسخين عند 80 درجة مئوية لتبخير المذيب (التولوين).
    ملاحظة: يزيد تبخر المذيب من لزوجة المحلول ، والتي يجب التحكم فيها بدقة لتسهيل عملية الخلط في الخطوة التالية. الوقت اللازم للتبخر الكامل للمذيبات هو 2 ساعة.
  4. أضف عامل معالجة PDMS إلى خليط CNTs / PDMS / التولوين بنسبة وزن 10: 1.
    ملاحظة: في هذه المرحلة ، يكتمل توليف ملاط ECPCs.

2. تصنيع الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القائمة على قناة الموائع الدقيقة

  1. قم بإعداد القالب القائم على SU-8 بأنماط مختلفة من قنوات الموائع الدقيقة باستخدام تقنية الطباعة الحجرية التقليدية على رقاقة Si.
    ملاحظة: تتبع عملية الطباعة الحجرية للقالب الطريقة القياسية المقترحة في ورقة بيانات المقاومة الضوئية المستخدمة ؛ يبلغ سمك القوالب حوالي 100 ميكرومتر ، بينما يتم استخدام ثلاثة خطوط مختلفة بعرض 50 ميكرومتر و 100 ميكرومتر و 200 ميكرومتر لجميع الهياكل النزرة.
  2. قم بإجراء عملية إزالة الكبريت على قالب SU-8 عن طريق غمر القالب في محلول ثلاثي إيثوكسيسيلان (3-أمينوبروبيل).
    ملاحظة: تسهل هذه الخطوة تقشير PDMS.
  3. امزج محلول PDMS الأساسي وعامل المعالجة بنسبة وزن 10: 1 ، وضع خليط PDMS غير المعالج في مجفف فراغ حتى تختفي جميع فقاعات الهواء.
  4. صب الخليط الذي تم تفريغه على القالب المصنع في الخطوة 2.1 ، وضع القالب بمحلول PDMS غير المعالج على لوح تسخين عند 85 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لمعالجة PDMS تماما ونقل نمط القالب إلى فيلم PDMS المعالج. انزع طبقة PDMS بمساعدة شفرة.
  5. قم بصب كمية صغيرة من ECPCs المحضرة في الخطوة 1 على سطح PDMS. كشط بعناية ملاط ECPCs على طول قناة الموائع الدقيقة المنقوشة بمساعدة شفرة حلاقة.
    ملاحظة: أثناء عملية طلاء الكشط هذه ، يتم احتجاز ملاط ECPCs عالي اللزوجة بشكل فعال في نمط microchannel ، ويمكن إزالة البقايا المتبقية على سطح PDMS بواسطة الشفرة في وقت واحد. إذا كان من الصعب كشط ملاط ECPCs في القناة الدقيقة ، فمن المستحسن تسخين العينة لزيادة لزوجتها. يمكن تكرار خطوة الطلاء هذه عدة مرات حتى يتم ملء القناة الدقيقة وتشكيل أقطاب كهربائية موصلة مستمرة.
  6. سخني العينة على حرارة 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
  7. قم بتوصيل الأسلاك النحاسية بطرفي الأقطاب الكهربائية المصنعة في الخطوة الأخيرة باستخدام عجينة فضية موصلة. يتم إغلاق بقعة التوصيل وحمايتها بواسطة مانع التسرب المطاطي اللاصق.
    ملاحظة: في هذه المرحلة ، اكتمل تصنيع الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القائمة على ECPCs ، كما هو موضح في الشكل 2.

3. تصنيع مستشعر الضغط السعوي

  1. قم بتصنيع القطب الناعم بتصميم تأثير هامش متقاطع باستخدام الطريقة المقترحة (الخطوات 2.1-2.7).
    ملاحظة: تم ضبط الفجوة بين الأقطاب الكهربائية وعرض الخط لتصميم تأثير الهامش المتقاطع على أن يكونا متماثلين ، ويتم تصنيع تكوينين: 200 ميكرومتر و 300 ميكرومتر. قبل إجراء التسخين (الخطوة 2.6) ، والذي قد يعالج القطب ، يوصى بتنظيف سطح القطب بشريط لاصق لتجنب حدوث ماس كهربائي محتمل بين آثار القطبين في الهيكل المتقاطع ، حيث يمكن أن يلتصق الشريط الاسكتلندي بشكل انتقائي بملاط ECPCs المفرط غير المعالج المتبقي على سطح PDMS ، ويمكن الاحتفاظ ب ECPCs المملوءة في القناة الدقيقة.
  2. إعداد قالب مطبوع 3D.
    ملاحظة: تم تصميم القالب ليكون له تجويف (بعرض 3 سم وطول 4 سم وارتفاع 10 مم) بفتحة يمكن سكب السيليكون السائل فيها.
  3. امزج مكونين من رغوة السيليكون المرنة البلاتينية جيدا مع نسب الوزن للجزء أ: الجزء ب من 1: 1 و 6: 1 لتحضير طبقات عازلة من رغاوي السيليكون الناعمة بحجمين للمسام. يقلب بسرعة.
    ملاحظة: يمكن التحكم في المسامية عن طريق ضبط نسبة الخلط للجزء A والجزء B.
  4. صب الخليط من الخطوة الأخيرة في القالب المصنوع في الخطوة 3.2.
  5. استخدم لوحا به عدة ثقوب لتغطية فتحة القالب.
  6. علاج الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة.
    ملاحظة: نظرا لأن رغوة السيليكون تتمدد إلى ضعفين إلى ثلاثة أضعاف حجمها الأصلي بعد المعالجة ، فإن الرغوة ستنمو من الثقوب ، مما يعني أن سمك الرغوة في التجويف سيكون مساويا لارتفاع تجويف القالب.
  7. قطع رغوة السيليكون الزائدة التي تأتي من خلال الثقوب وإزالة اللوحة.
  8. ضع الرغوة العازلة المحضرة أعلى طبقة القطب الناعم المتداخلة لإنهاء تصنيع مستشعر الضغط.
    ملاحظة: سمك رغوة السيليكون المعالجة 10 مم.

4. توصيف الإجهاد للقطب

  1. قم بتثبيت القطب الكهربائي المصنع في الخطوة 2 بين المراحل المتحركة لمحرك متدرج معدل.
  2. قم بتطبيق إجهاد أحادي المحور على القطب عن طريق التحكم في المرحلة المتحركة لتمديد القطب.
    ملاحظة: يمكن حساب قابلية التمدد المطبقة من إزاحة المرحلة المتحركة.
  3. استخدم مقياس متعدد لتسجيل قياس المقاومة.

5. توصيف الضغط للقطب

  1. قم بتصنيع قطب كهربائي متعرج بتصميم مكافئ للقطب الكهربائي المتقاطع (الخطوات 2.1-2.7).
    ملاحظة: بالنظر إلى أن أقطاب المشط الخاصة بالقطب المقسم لها أصابع متعددة ، فإن القطب المتعرج مصمم لتجميع الأصابع في مسار موصل واحد لتقييم الخصائص الكهربائية للقطب المرقم. يشتمل القطب الذي تم اختباره على ستة أصابع بعرض 300 ميكرومتر ، والتباعد بين الأصابع 2 مم.
  2. قم بتجميع منصة تحميل الضغط عن طريق توصيل قضيب تحميل مطبوع ثلاثي الأبعاد (قطره 2.5 سم) ، ومستشعر ضغط قياسي ، ومرحلة تحريك محرك متدرج.
  3. ضع القطب الكهربائي المصنع أسفل قضيب التحميل المطبوع 3D.
  4. قم بالضغط على القطب عن طريق التحكم في مرحلة الحركة لدفع قضيب التحميل الذي يتحرك عموديا نحو القطب بمسافة مبرمجة.
    ملاحظة: يمكن التحكم في الضغط عن طريق ضبط إزاحة المرحلة المتحركة ، ويتم حساب الضغط القياسي عن طريق قياس القوة من مستشعر القوة القياسي.
  5. استخدم مقياس متعدد لتسجيل قياس المقاومة.

6. توصيف الضغط لمستشعر الضغط السعوي

  1. استخدم نفس المنصة كما في الخطوة 5 لتطبيق الضغط على مستشعر الضغط السعوي المصنع في الخطوة 3.
  2. استخدم مقياس LCR لتسجيل قياس السعة.
    ملاحظة: يتم قياس السعة عند تردد اختبار 1 كيلو هرتز.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باتباع البروتوكول ، يمكن تصميم ECPCs عبر قناة الموائع الدقيقة ، مما يؤدي إلى تكوين أقطاب كهربائية قابلة للتمدد بدقة عالية. يوضح الشكلان 3 أ ، ب صورا لأقطاب كهربائية ناعمة ذات تصميمات تتبع ودقة طباعة مختلفة. يوضح الشكل 3C عرض الخطوط المختلفة للأقطاب الكهربائية المصنعة ، بما في ذلك 50 ميكرومتر و 100 ميكرومتر و 200 ميكرومتر. يتم عرض مقاومة كل قطب في الشكل 3D ، والذي يوضح أن المقاومة تزداد مع انخفاض عرض الخط ، كما هو مت...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذا البروتوكول ، أظهرنا طريقة طباعة جديدة قائمة على قناة الموائع الدقيقة للأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد. يمكن تحضير المادة الموصلة للقطب ، ملاط ECPCs ، بواسطة طريقة تبخر المذيبات ، والتي تسمح بتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية جيدا في مصفوفة PDMS ، وبالتالي تشكيل بوليمر موصل يظهر قابلية تمدد عالية مثل ركيزة PDMS.

في عملية الكشط ، يتم ملء ملاط ECPCs بسرعة في قناة الموائع الدقيقة PDMS بمساعدة شفرة حلاقة. وبالتالي ، فإن لزوجة الملاط تلعب دورا حاسما في عملية الكشط. قد تؤدي اللزوجة المنخفضة ل...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار Grant 62273304.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
كاميراOPELENIC كاميرا
أنابيب نانوية كربونية (CNTs)نانجينغ Xianfeng تقنيةالنانو القطر: 10-20 نانومتر ، الطول: 10-30 مو ؛ م
محرك لوححراري علميSuper-Nuova +معدات التحريك والتدفئة
LCR مترKeysightE4980ALمعدات قياس السعة
مجهرSDPTOP
متعددالمقاومة
حظ فرنYamotoDX412Cمعدات التدفئة
قناع الصورةشنتشن Weina التكنولوجيا
MicrochemSU-8 3050
Polydimethylsiloxane (PDMS)Dow CorningSylgard 184سيليكون المطاط
رغوة السيليكونناعمة علىSoma Foama 25مكون من عنصرين من البلاتين سيليكون رغوة مرنة
سيليكون رقاقةسوتشو كريستال السيليكون الإلكترونية & قطر التكنولوجيا: 2 بوصة
النمامIKAلون الحبارمعدات التحريك
تولوينسينوفارم كاشفالمذيب لإعداد ECPCs
TriethoxysilaneMacklin
رقمية تسخين معدات قياس الإلكترونية الصناعي كيميائي

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sun, Z. D., et al. Artificial intelligence of things (AIoT) enabled virtual shop applications using self-powered sensor enhanced soft robotic manipulator. Advanced Science. 8 (14), 2100230(2021).
  2. Lo, L. -W., et al. Inkjet-printed soft resistive pressure sensor patch for wearable electronics applications. Advanced Materials Technology. 5 (1), 1900717(2020).
  3. Zhu, M. L., et al. Haptic-feedback smart glove as a creative human-machine interface (HMI) for virtual/augmented reality applications. Science Advances. 6 (19), (2020).
  4. Woo, S. -J., Kong, J. -H., Kim, D. -G., Kim, J. -M. A thin all-elastomeric capacitive pressure sensor array based on micro contact printed elastic conductors. Journal of Materials Chemistry C. 2 (22), 4415-4422 (2012).
  5. Tang, J., et al. Highly stretchable electrodes on wrinkled polydimethylsiloxane substrates. Scientific Reports. 5, 16527(2015).
  6. Lo, L. -W., et al. An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).
  7. Luo, R. -B., Li, H. -B., Du, B., Zhou, S. -S., Zhu, Y. -X. A simple strategy for high stretchable, flexible and conductive polymer films based on PEDOT:PSS-PDMS blends. Organic Electronics. 76, 105451(2020).
  8. Zhang, Y., et al. Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces. Nature Communications. 13, 1317(2022).
  9. Hong, S., Lee, S., Kim, D. -H. Materials and design strategies of stretchable electrodes for electronic skin and its applications. Proceedings of the IEEE. 107 (10), 2185-2197 (2019).
  10. Shi, H., et al. Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures. Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116(2019).
  11. Mahmoudinezhad, M. H., Anderson, I., Rosset, S. Interdigitated sensor based on a silicone foam for subtle robotic manipulation. Macromolecular Rapid Communications. 42 (5), 2000560(2019).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microfluidic ChannelsSoft ElectrodesCapacitive Pressure SensingStretchable ElectrodesFlexible ElectronicsCarbon NanotubesPDMS CompositeDielectric Silicone FoamInterdigitated ElectrodesTactile Sensing

Related Articles