基于微流控通道的软电极及其在电容式压力传感中的应用

Summary

柔性电极在软机器人和可穿戴电子产品中具有广泛的应用。该协议展示了一种通过光刻定义的微流体通道 制造 高分辨率高度可拉伸电极的新策略，这为未来的高性能软压力传感器铺平了道路。

Abstract

柔性和可拉伸电极是软人工感觉系统中的重要组成部分。尽管柔性电子学最近取得了进展，但大多数电极要么受到图案分辨率的限制，要么受到使用高粘度超弹性材料喷墨打印能力的限制。在本文中，我们提出了一种简单的策略来制备基于微通道的可拉伸复合电极，这可以通过将弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）刮入光刻压花微流体通道来实现。采用挥发性溶剂蒸发法制备了ECPCs，实现了碳纳米管（CNTs）在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的均匀分散。与传统的制造方法相比，所提出的技术可以促进使用高粘度浆料快速制造定义明确的可拉伸电极。由于本研究中的电极由全弹性材料组成，因此在微通道壁的界面处，基于ECPC的电极和基于PDMS的基板之间可以形成强的互连，这使得电极在高拉伸应变下表现出机械鲁棒性。此外，还系统地研究了电极的机械电响应。最后，将电介质有机硅泡沫和叉指电极（IDE）层相结合，开发了一种软压力传感器，这证明了压力传感器在软机器人触觉传感应用中的巨大潜力。

Introduction

软压力传感器在气动机器人抓手¹、可穿戴电子产品²、人机界面系统³等应用中得到了广泛的探索。在此类应用中，传感系统需要柔韧性和拉伸性，以确保与任意曲线表面的保形接触。因此，它需要所有基本组件，包括基板、转导元件和电极，以便在极端变形条件下提供一致的功能⁴。此外，为了保持高传感性能，必须将软电极的变化保持在最小水平，以避免对电^{传感信号的}干扰5。

作为软压力传感器的核心组件之一，能够承受高应力和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。具有优异性能的软电极通常具有1）微米级的高空间分辨率和2）高拉伸性，与基板的粘合性强，这些是实现可^{穿戴尺寸高度}集成的软电子元件不可或缺的特性8。因此，近年来提出了各种策略来开发具有上述性能的软电极，例如喷墨印刷，丝网印刷，喷雾印刷和转移印刷等。⁹.喷墨打印方法⁶因其制造简单，无遮蔽要求，材料浪费量少的优点而得到广泛应用，但由于油墨粘度方面的限制，很难实现高分辨率图案化。丝网印刷¹⁰和喷印¹¹是简单且具有成本效益的图案化方法，需要在基材上涂上阴影遮罩。但是，放置或移除遮罩的操作会降低图案的清晰度。尽管据报道转移印刷⁴是实现高分辨率印刷的一种有前途的方法，但这种方法存在复杂的程序和耗时的印刷过程。此外，通过这些图案化方法生产的大多数软电极具有其他缺点，例如从基板分层。

本文提出了一种基于微流控通道构型的快速制备高性价比和高分辨率软电极的新型印刷方法。与其他传统制备方法相比，该策略利用弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）作为导电材料，并采用光刻压花微流控通道对电极迹线进行图案化。ECPCS浆料通过溶剂蒸发法制备，由7重量%的碳纳米管（CNTs）组成，这些碳纳米管（CNTs）充分分散在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中。通过将ECPC浆料刮入微流体通道，可以生产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，因此在基于ECPC的电极与PDMS基板之间的界面处会产生强粘合。因此，电极可以维持与PDMS基板一样高的拉伸水平。实验结果表明，所提出的可拉伸电极对轴向应变的响应率高达30%，在0-400 kPa的高压范围内表现出优异的稳定性，表明该方法在制备电容式压力传感器软电极方面具有巨大潜力，这也在这项工作中得到了证明。

Protocol

1. ECPCS浆料的合成

1. 将碳纳米管以1:30的重量比分散到甲苯溶剂中，并以1:1的重量比用甲苯稀释PDMS碱。
   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. 在室温下磁力搅拌CNT /甲苯悬浮液和PDMS /甲苯溶液1小时。
   注意:此步骤允许CNT在以下步骤中很好地分散到PDMS矩阵中。
3. 将碳纳米管/甲苯悬浮液和PDMS/甲苯溶液混合，形成液态碳纳米管/PDMS/甲苯混合物，并在80°C的加热板上磁力搅拌该混合物以蒸发溶剂（甲苯）。
   注意:溶剂的蒸发会增加溶液粘度，需要精确控制，以促进下一步的混合过程。溶剂完全蒸发所需的时间为2小时。
4. 将PDMS固化剂以10:1的重量比添加到CNT/PDMS/甲苯混合物中。
   注意:在此阶段，ECPCs浆料的合成已完成。

2. 基于微流控通道的可拉伸电极的制备

1. 使用传统的光刻技术在Si晶片上制备具有不同图案的微流体通道的SU-8基模具。
   注意:模具的光刻工艺遵循所用光刻胶数据表中建议的标准方法;模具的厚度约为100μm，而所有迹线结构均使用50μm，100μm和200μm三种不同的线宽。
2. 通过将模具浸入（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷溶液中，在SU-8模具上进行硅烷化过程。
   注:此步骤有助于剥离PDMS。
3. 以10:1的重量比混合PDMS基础溶液和固化剂，并将未固化的PDMS混合物放入真空干燥器中，直到所有气泡消失。
4. 将脱气混合物倒入步骤2.1制造的模具上，并将模具与未固化的PDMS溶液一起置于85°C的加热板上1小时，使PDMS完全固化并将模具的图案转移到固化的PDMS薄膜上。在刀片的帮助下剥离PDMS层。
5. 将步骤1中制备的少量ECPC浇铸到PDMS表面上。在剃须刀片的帮助下，沿着压花微流体通道小心地刮擦ECPC浆液。
   注意:在此刮涂过程中，高粘度的ECPC浆料被有效地捕获在微通道图案中，并且PDMS表面上残留的残留物可以同时被刀片去除。如果很难将ECPC浆料刮入微通道，建议加热样品以增加其粘度。该涂层步骤可以重复多次，直到填充微通道并形成连续导电电极。
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到最后一步制造的电极的两端。连接点由粘合橡胶密封胶进一步密封和保护。
   注意:在此阶段，基于ECPC的可拉伸电极的制造已经完成，如图 2所示。

3. 电容式压力传感器的制造

1. 使用所提出的方法（步骤2.1-2.7）制备具有指指条纹效应设计的软电极。
   注意:叉指条纹效应设计的电极间间隙和线宽设置为相同，并制造了两种配置:200 μm 和 300 μm。在加热程序（步骤2.6）之前，建议用胶带清洁电极表面，以避免叉指结构中的两个电极迹线之间发生潜在的短路，因为透明胶带可以选择性地粘附在PDMS表面上残留的过量未固化的ECPC浆液上，并且可以保留填充在微通道中的ECPC。
2. 准备一个3D打印的模具。
   注意:模具设计为具有一个空腔（宽3厘米，长4厘米，高10毫米），并带有一个开口，可以将液态硅胶倒入其中。
3. 将铂金有机硅软质泡沫的两种成分与 A 部分:B 部分的重量比 1:1 和 6:1 充分混合，以制备具有两种孔径的软硅胶泡沫的介电层。快速搅拌。
   注意:孔隙率可以通过调整A部分和B部分的混合比例来控制。
4. 将最后一步的混合物倒入步骤3.2中制造的模具中。
5. 使用带有多个孔的板来覆盖模具开口。
6. 将混合物在室温下固化1小时。
   注意:由于硅胶泡沫在固化后膨胀到其原始体积的两到三倍，泡沫会从孔中长出来，这意味着型腔中泡沫的厚度将等于模腔的高度。
7. 切下穿过孔的多余硅胶泡沫，然后取下电路板。
8. 将准备好的介电泡沫放在叉指软电极层的顶部，以完成压力传感器的制造。
   注意:固化硅胶泡沫的厚度为10毫米。

4. 电极应变表征

1. 将步骤2中制造的电极夹在改进的步进电机的移动级之间。
2. 通过控制移动平台拉伸电极，对电极施加单轴应变。
   注意: 应用的拉伸性可以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. 制造具有与叉指电极等效设计的锯齿形电极（步骤2.1-2.7）。
   注意:考虑到叉指电极的梳状电极有多个手指，锯齿形电极设计为将手指组装在单个导电通路中，以评估叉指电极的电性能。测试电极包括六个手指，宽度为300μm，手指之间的间距为2mm。
2. 通过连接 3D 打印的装载杆（直径 2.5 厘米）、标准压力传感器和步进电机的移动平台来组装压力加载平台。
3. 将制造的电极放在3D打印的加载杆下方。
4. 通过控制移动平台对电极施加压力，以驱动加载杆以编程的距离垂直向电极移动。
   注意:压力可以通过设置移动平台的位移来控制，标准压力是通过标准力传感器的力测量计算的。
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相同的平台对步骤3中制造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:电容是在 1 kHz 的测试频率下测量的。

Results

按照该协议，ECPC可以通过微流体通道进行图案化，从而形成具有高分辨率的可拉伸电极。 图3A， B 显示了具有不同迹线设计和打印分辨率的软电极的照片。 图3C 显示了制造电极的不同线宽，包括50 μm、100 μm和200 μm。每个电极的电阻如图 3D所示，它表明电阻随着线宽的减小而增加，正如基于欧姆定律所预期的那样。由于蛇形电极的有效长度较长，蛇形电极也表现出比具有线状结构的相同宽度的电极更高的电阻。 图3E还显示了软电极的拉伸性，该图显示ECPC和微通道壁之间的强界面使电极表现出类似于PDMS基板的出色拉伸性。还注意到，在0%-30%的测试范围内，线电极和蛇形电极的电阻随纵向拉伸应变线性增加。结果表明，电阻的变化可以完全归因于几何效应。由于应变释放效应，在相同线宽下，蛇纹形电极（S_p）的灵敏度低于线结构电极（S

Discussion

在该协议中，我们已经展示了一种用于可拉伸电极的新型基于微流控通道的打印方法。电极的导电材料ECPCs浆料可以通过溶剂蒸发法制备，该方法允许CNT很好地分散到PDMS基质中，从而形成具有与PDMS基板一样高的拉伸性的导电聚合物。

在刮削过程中，ECPC浆液在剃须刀片的帮助下快速填充到PDMS微流体通道中。因此，浆料的粘度在刮削操作中起着至关重要的作用。ECPC浆料的较低粘度会导致微通道部分填充，这可能导致开路状态或显着提高电阻。另一方面，较高的粘度可能导致PDMS表面上残留过多的浆料，从而导致高分辨率IDE结构短路。还应该注意的是，尽管导电碳纳米管在ECPC浆料中仅占7wt.%的一小部分，但电极的兆欧级高电阻对软电容式压力传感器的传感性能的影响可以忽略不计。

该方法不适用于制备高导电电极。因此，需要进一步研究碳纳米管掺杂PDMS的增强型电网，以保持电极在拉伸时的导电性。

与现有喷墨印刷⁶、丝网印刷

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
相机	OPLENIC 数码相机
碳纳米管 （CNTs）	南京咸丰纳米科技		直径：10-20 nm，长度：10-30 μm
加热板搅拌器	Thermo Scientific	Super-Nuova+	搅拌和加热设备
LCR 仪表	Keysight	E4980AL	电容测量设备
显微镜	SDPTOP
万用表	Fluke		电阻测量设备
烘箱	Yamoto	DX412C	加热设备
光掩模	深圳维纳电子科技
光刻胶	Microchem	SU-8 3050
聚二甲基硅氧烷 （PDMS）	道康宁	Sylgard 184	有机硅弹性体
硅泡沫	光滑的	Soma Foama 25	双组分铂金硅橡胶 柔性泡沫
硅片	苏州晶体硅电子&技术		直径：2英寸
搅拌器	IKA	彩色鱿鱼	搅拌设备
甲苯	国药化学试剂		用于制备ECPCs
三乙氧基硅烷	的溶剂 Macklin