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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

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DOI：

10.3791/65175

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2023年3月17日

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

本文内容

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 因其制备简单、无需掩模且材料浪费少等优势而被广泛应用，但由于对油墨黏度的限制，难以实现高分辨率的图案化。丝网打印10 和喷涂打印11 是两种简单且成本较低的图案化方法，但需要在基底上使用遮蔽掩模。然而，掩模的放置或移除操作可能降低图案的清晰度。尽管已有报道表明转移打印4是一种实现高分辨率打印的有前景方法，但该方法存在工艺复杂且打印过程耗时的问题。此外，通过这些图案化方法制备的大多数柔性电极还存在其他缺陷，例如与基底发生脱层现象。

本文介绍了一种基于微流体通道构型的新型打印方法，可快速制备低成本、高分辨率的柔性电极。与其它传统制备方法相比，该策略采用弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）作为导电材料，并利用光刻压印的微流体通道对电极线路进行图案化。ECPCs浆料通过溶剂蒸发法制备，由7 wt.%碳纳米管（CNTs）均匀分散于聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中组成。通过将ECPCs浆料刮涂至微流体通道内，可制得由光刻图案定义的高分辨率电极。此外，由于电极主要基于PDMS，因此在ECPCs基电极与PDMS基底界面处形成牢固的结合，从而使电极能够承受与PDMS基底相当的高拉伸程度。实验结果表明，所提出的可拉伸电极在轴向应变高达30%时仍能实现线性响应，并在0–400 kPa的高压范围内表现出优异的稳定性，显示出该方法在电容式压力传感器中制备柔性电极的巨大潜力，本文也对此进行了验证。

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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 µm和200 µm。
  2. 通过将SU-8模具浸入(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷溶液中进行硅烷化处理。
    注意：此步骤有助于后续PDMS的剥离。
  3. 按10:1的质量比混合PDMS基础溶液与固化剂，并将未固化的PDMS混合物置于真空干燥器中，直至所有气泡完全消失。
  4. 将脱泡后的混合物浇注到第2.1步制备的模具上，然后将带有未固化PDMS溶液的模具置于85 °C的加热板上加热1小时，使PDMS完全固化，并将模具图案转移至固化的PDMS薄膜上。使用刀片辅助剥离PDMS层。
  5. 将第1步制备的ECPCs少量涂布于PDMS表面，借助剃刀片沿凸起的微流道小心刮涂ECPCs浆料。
    注意：在此刮涂过程中，高黏度的ECPCs浆料可有效填充至微通道内，同时刀片可去除PDMS表面残留物。若难以将ECPCs浆料刮入微通道，建议加热样品以降低其黏度。可重复多次此涂覆步骤，直至微通道完全填充并形成连续的导电电极。
  6. 将样品在70 °C下加热2小时。
  7. 使用导电银浆将铜线连接至上一步制备的电极两端，并用粘性橡胶密封剂对连接处进行进一步密封和保护。
    ​注意：至此，基于ECPCs的可拉伸电极制备完成，如图2所示。

3. 电容式压力传感器的制备

  1. 采用所提出的方法（步骤 2.1–2.7）制备具有叉指 fringe 效应结构的柔性电极。
    注意：叉指 fringe 效应结构的电极间隙与线宽设置为相同值，并制备两种构型：200 µm 和 300 µm。在加热步骤（步骤 2.6）之前（该步骤可能使电极固化），建议使用粘性胶带清洁电极表面，以避免叉指结构中两个电极迹线之间发生潜在短路，因为透明胶带可以选择性地粘附在 PDMS 表面残留的过量未固化 ECPC 浆料上，而填充在微通道中的 ECPC 则得以保留。
  2. 准备一个 3D 打印模具。
    注意：模具设计有一个腔体（宽 3 cm，长 4 cm，高 10 mm），并设有开口，以便倒入液态硅胶。
  3. 将铂金硅胶发泡剂的两种组分按 A 组分与 B 组分的质量比为 1:1 和 6:1 充分混合，以制备具有两种孔径的柔性硅胶泡沫介电层。快速搅拌。
    注意：通过调节 A 组分与 B 组分的混合比例可控制孔隙率。
  4. 将上一步得到的混合物倒入步骤 3.2 中制备的模具中。
  5. 使用一块带有多个孔洞的板覆盖模具开口。
  6. 在室温下固化混合物 1 小时。
    注意：由于硅胶泡沫在固化后会膨胀至原始体积的 2 到 3 倍，泡沫将从孔洞中生长出来，从而使腔体内泡沫的厚度等于模具腔体的高度。
  7. 剪除穿过孔洞的多余硅胶泡沫，并移除盖板。
  8. 将制备好的介电泡沫放置在叉指柔性电极层上方，完成压力传感器的制备。
    ​注意：固化后硅胶泡沫的厚度为 10 mm。

4. 电极的应变表征

  1. 将步骤2中制备的电极夹在改装步进电机的移动平台之间。
  2. 通过控制移动平台拉伸电极，对电极施加单轴应变。
    注意：所施加的拉伸率可根据移动平台的位移计算得出。
  3. 使用万用表记录电阻测量值。

5. 电极的压力表征

  1. 制作一个与叉指电极设计等效的锯齿状电极（步骤 2.1–2.7）。
    注：考虑到叉指电极的梳状电极具有多个指状结构，锯齿状电极被设计为将这些指状结构集成到单一导电通路中，以评估叉指电极的电学特性。测试电极包含六个指状结构，每个宽度为 300 µm，指状结构之间的间距为 2 mm。
  2. 通过连接一个直径为 2.5 cm 的 3D 打印加载杆、标准压力传感器和步进电机的移动平台，组装压力加载平台。
  3. 将制备好的电极放置在 3D 打印加载杆下方。
  4. 通过控制移动平台，驱动加载杆垂直向电极方向按预设距离移动，从而对电极施加压力。
    注：可通过设置移动平台的位移来控制压力，标准压力由标准力传感器测得的力值计算得出。
  5. 使用万用表记录电阻测量值。

6. 电容式压力传感器的压力表征

  1. 使用与步骤5相同的平台，对在步骤3中制备的电容式压力传感器施加压力。
  2. 使用LCR表记录电容测量值。
    注意：电容在1 kHz的测试频率下进行测量。

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结果

按照该方案，可通过以下方式对ECPCs进行图案化处理 的 微流控通道，可形成高分辨率的可拉伸电极。 图3A, B 展示了具有不同导线设计和打印分辨率的柔性电极的实物照片。 图3C 显示所制备电极的不同线宽，包括 50 µm, 100 µm，以及 200 µm每个电极的电阻值如图所示 图3D，这表明随着线宽减小，电阻增大，符合欧姆定律的预期。由于蛇形电极的有效长度比相同宽度的直线结构电极更长，其电阻也高于后者。软电极的可拉伸性也在图中得到展示。 图3E，这表明ECPCs与微通道壁之间的强界面使电极表现出与PDMS基底相似的优异拉伸性。同时注意到，在0%–30%的测试应变范围内，直线型和蛇形电极的电阻在纵向拉伸应变下均呈线性增加。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，蛇形电极的灵敏度（S

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号 62273304）的资助。

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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KeysightE4980AL电容测量设备
显微镜SDPTOP
万用表扁虫电阻测量设备
烘箱YamotoDX412C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

参考文献

  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).
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标签

PDMS

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