Elettrodi morbidi basati su canali microfluidici e loro applicazione nel rilevamento capacitivo della pressione

Summary

Gli elettrodi flessibili hanno una vasta gamma di applicazioni nella robotica morbida e nell'elettronica indossabile. Il presente protocollo dimostra una nuova strategia per fabbricare elettrodi altamente estensibili ad alta risoluzione tramite canali microfluidici litograficamente definiti, che apre la strada a futuri sensori di pressione morbida ad alte prestazioni.

Abstract

Gli elettrodi flessibili ed estensibili sono componenti essenziali nei sistemi sensoriali artificiali morbidi. Nonostante i recenti progressi nell'elettronica flessibile, la maggior parte degli elettrodi è limitata dalla risoluzione del pattern o dalla capacità di stampa a getto d'inchiostro con materiali superelastici ad alta viscosità. In questo articolo, presentiamo una semplice strategia per fabbricare elettrodi compositi estensibili basati su microcanali, che possono essere ottenuti raschiando compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC) in canali microfluidici litograficamente goffrati. Gli ECPC sono stati preparati con un metodo di evaporazione con solvente volatile, che raggiunge una dispersione uniforme di nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS). Rispetto ai metodi di fabbricazione convenzionali, la tecnica proposta può facilitare la fabbricazione rapida di elettrodi estensibili ben definiti con liquami ad alta viscosità. Poiché gli elettrodi in questo lavoro erano costituiti da materiali interamente elastomerici, è possibile formare forti interconnessioni tra gli elettrodi basati su ECPC e il substrato basato su PDMS alle interfacce delle pareti del microcanale, il che consente agli elettrodi di mostrare robustezza meccanica sotto elevate sollecitazioni di trazione. Inoltre, è stata studiata sistematicamente anche la risposta meccanico-elettrica degli elettrodi. Infine, è stato sviluppato un sensore di pressione morbida combinando una schiuma di silicone dielettrico e uno strato di elettrodi interdigitati (IDE), e questo ha dimostrato un grande potenziale per i sensori di pressione nelle applicazioni di rilevamento tattile robotico morbido.

Introduction

I sensori di pressione morbida sono stati ampiamente esplorati in applicazioni come pinze pneumatiche robotiche¹, elettronica indossabile², sistemi di interfaccia uomo-macchina³, ecc. In tali applicazioni, il sistema sensoriale richiede flessibilità ed elasticità per garantire un contatto conforme con superfici curvilinee arbitrarie. Pertanto, richiede tutti i componenti essenziali, inclusi il substrato, l'elemento trasduttore e l'elettrodo, per fornire funzionalità coerenti in condizioni di deformazione estreme⁴. Inoltre, per mantenere elevate prestazioni di rilevamento, è....

Protocol

1. Sintesi del liquame ECPCs

1. Disperdere i CNT in un solvente di toluene con un rapporto di peso di 1:30 e diluire la base PDMS con toluene in un rapporto di peso di 1:1.
   NOTA: L'intera procedura sperimentale, illustrata nella figura 1, deve essere eseguita in una cappa aspirante ben ventilata.
2. Agitare magneticamente la sospensione CNT/toluene e la soluzione PDMS/toluene a temperatura ambiente per 1 ora.
   NOTA: questo passaggio consente ai CNT di essere ben dispersi nella matrice PDMS nel passaggio successivo.
3. Mescolare la sospensione CNT/toluene e la soluzione PDMS/toluene per formare un....

Results

Seguendo il protocollo, gli ECPC possono essere modellati tramite il canale microfluidico, che porta alla formazione di elettrodi estensibili ad alta risoluzione. Le figure 3A, B mostrano fotografie di elettrodi morbidi con diversi disegni di tracce e risoluzioni di stampa. La figura 3C mostra le diverse larghezze di linea degli elettrodi fabbricati, tra cui 50 μm, 100 μm e 200 μm. La resistenza di ciascun elettrodo è presentata nella

Discussion

In questo protocollo, abbiamo dimostrato un nuovo metodo di stampa basato su canali microfluidici per elettrodi estensibili. Il materiale conduttivo dell'elettrodo, il liquame ECPCs, può essere preparato con il metodo di evaporazione del solvente, che consente ai CNT di essere ben dispersi nella matrice PDMS, formando così un polimero conduttivo che presenta un'elasticità elevata quanto il substrato PDMS.

Nel processo di raschiatura, il liquame ECPCs viene rapidamente riempito nel canale micro.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fotocamera			DIGITALE OPLENICA
Nanotubi di carbonio (CNT)	Nanjing Xianfeng Nano-tecnologia		Diametro: 10-20 nm, Lunghezza: 10-30 μ m
Agitatore a piastra riscaldante	Thermo Scientific	Super-Nuova+	Apparecchiature per l'agitazione e il riscaldamento
Misuratore LCR	Keysight	E4980AL	Apparecchiature per la misurazione della capacità
Microscopio	Multimetro SDPTOP
	Fluke		Apparecchiature per la misurazione della resistenza
Forno	Yamoto	DX412C	Apparecchiature per il riscaldamento
Fotomaschera	Shenzhen Weina Electronic Technology
Photoresist	Microchem	SU-8 3050
Polidimetilsilossano (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	Elastomero siliconico
Schiuma siliconica	Liscia su	Soma Foama 25	Silicone bicomponente Silicone bicomponente Schiuma flessibile
Wafer siliconico	Suzhou Crystal Silicon Electronic e Tecnologia		Diametro: 2 pollici
Agitatore	IKA	Color Squid	Agitazione Attrezzatura
Toluene	Sinopharm Solvente reagente		per la preparazione di ECPC
Trietossisilano	Macklin