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 essenziale mantenere le variazioni degli elettrodi morbidi al livello minimo per evitare interferenze nei segnali di rilevamento elettrico⁵.

Come uno dei componenti principali nei sensori di pressione morbida, gli elettrodi estensibili in grado di sostenere elevati livelli di stress e deformazione sono fondamentali affinché il dispositivo preservi percorsi conduttivi stabili e caratteristiche di impedenza ^6,7. Gli elettrodi morbidi con prestazioni eccellenti di solito possiedono 1) alta risoluzione spaziale alla scala micrometrica e 2) elevata elasticità con forte legame al substrato, e queste sono caratteristiche indispensabili per consentire un'elettronica morbida altamente integrata in una dimensione indossabile⁸. Pertanto, recentemente sono state proposte varie strategie per sviluppare elettrodi morbidi con le proprietà di cui sopra, come la stampa a getto d'inchiostro, la serigrafia, la stampa a spruzzo e la stampa transfer, ecc. ⁹. Il metodo di stampa a getto d'inchiostro⁶ è stato ampiamente utilizzato grazie ai suoi vantaggi di fabbricazione semplice, nessun requisito di mascheratura e una bassa quantità di spreco di materiale, ma è difficile ottenere modelli ad alta risoluzione a causa delle limitazioni in termini di viscosità dell'inchiostro. La serigrafia¹⁰ e la stampa a spruzzo¹¹ sono metodi di modellazione semplici ed economici che richiedono una maschera d'ombra sul substrato. Tuttavia, l'operazione di posizionamento o rimozione della maschera può ridurre la chiarezza della serie. Sebbene la stampa transfer⁴ sia stata segnalata come un modo promettente per ottenere una stampa ad alta risoluzione, questo metodo soffre di una procedura complicata e di un processo di stampa che richiede tempo. Inoltre, la maggior parte degli elettrodi morbidi prodotti da questi metodi di modellazione presentano altri svantaggi, come la delaminazione dal substrato.

Qui presentiamo un nuovo metodo di stampa per la fabbricazione rapida di elettrodi morbidi economici e ad alta risoluzione basati su configurazioni di canali microfluidici. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione convenzionali, la strategia proposta utilizza compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC) come materiale conduttivo e canali microfluidici litograficamente goffrati per modellare le tracce degli elettrodi. Il liquame ECPCs è preparato con il metodo di evaporazione con solvente ed è costituito da 7 nanotubi di carbonio (CNT) ben dispersi in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS). Raschiando il liquame ECPCs nel canale microfluidico, è possibile produrre elettrodi ad alta risoluzione definiti da pattern litografici. Inoltre, poiché l'elettrodo è basato principalmente su PDMS, viene creato un forte legame all'interfaccia tra l'elettrodo basato su ECPC e il substrato PDMS. Pertanto, l'elettrodo può sostenere un livello di allungamento alto quanto il substrato PDMS. I risultati sperimentali confermano che l'elettrodo estensibile proposto può rispondere linearmente alle deformazioni assiali fino al 30% e mostrare un'eccellente stabilità in un intervallo di alta pressione di 0-400 kPa, indicando il grande potenziale di questo metodo per fabbricare elettrodi morbidi in sensori di pressione capacitivi, che è anche dimostrato in questo lavoro.

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 una miscela liquida CNT/PDMS/toluene e mescolare magneticamente questa miscela su una piastra riscaldante a 80 °C per far evaporare il solvente (toluene).
   NOTA: L'evaporazione del solvente aumenta la viscosità della soluzione, che deve essere controllata con precisione per facilitare il processo di miscelazione nella fase successiva. Il tempo necessario per l'evaporazione completa del solvente è di 2 ore.
4. Aggiungere l'agente di polimerizzazione PDMS nella miscela CNT/PDMS/toluene con un rapporto di peso di 10:1.
   NOTA: In questa fase, la sintesi del liquame ECPCs è completa.

2. Fabbricazione degli elettrodi estensibili basati su canali microfluidici

1. Preparare lo stampo a base di SU-8 con diversi modelli di canali microfluidici utilizzando la tecnica litografica convenzionale su un wafer di Si.
   NOTA: Il processo di litografia dello stampo segue il metodo standard suggerito nella scheda tecnica del fotoresist utilizzato; Lo spessore degli stampi è di circa 100 μm, mentre per tutte le strutture in tracce vengono utilizzate tre diverse larghezze di linea di 50 μm, 100 μm e 200 μm.
2. Eseguire un processo di silanizzazione sullo stampo SU-8 immergendo lo stampo nella soluzione di trietossisilano (3-amminopropil).
   NOTA: questo passaggio facilita la rimozione del PDMS.
3. Mescolare la soluzione base PDMS e l'agente di polimerizzazione con un rapporto di peso di 10:1 e posizionare la miscela PDMS non polimerizzata in un essiccatore sottovuoto fino a quando tutte le bolle d'aria scompaiono.
4. Versare la miscela degassata sullo stampo fabbricato nella fase 2.1 e posizionare lo stampo con la soluzione PDMS non polimerizzata su una piastra riscaldante a 85 °C per 1 ora per polimerizzare completamente il PDMS e trasferire il modello dello stampo sul film PDMS polimerizzato. Staccare lo strato PDMS con l'aiuto di una lama.
5. Gettare una piccola quantità di ECPC preparati nel passaggio 1 sulla superficie PDMS. Raschiare con cura il liquame ECPC lungo il canale microfluidico in rilievo con l'aiuto di una lama di rasoio.
   NOTA: Durante questo processo di scrape-coating, il liquame ECPCs altamente viscoso viene efficacemente intrappolato nel modello a microcanali e i residui lasciati sulla superficie PDMS possono essere rimossi contemporaneamente dalla lama. Se è difficile raschiare il liquame ECPCs nel microcanale, si consiglia di riscaldare il campione per aumentarne la viscosità. Questa fase di rivestimento può essere ripetuta più volte fino a riempire il microcanale e formare elettrodi conduttori continui.
6. Riscaldare il campione a 70 °C per 2 ore.
7. Collegare i fili di rame alle due estremità degli elettrodi fabbricati nell'ultimo passaggio utilizzando pasta d'argento conduttiva. Il punto di collegamento è ulteriormente sigillato e protetto dal sigillante in gomma adesiva.
   NOTA: In questa fase, la fabbricazione degli elettrodi estensibili basati su ECPC è completa, come mostrato nella Figura 2.

3. Fabbricazione del sensore di pressione capacitivo

1. Fabbricare l'elettrodo morbido con un design a effetto frangia interdigitato utilizzando il metodo proposto (passaggi 2.1-2.7).
   NOTA: lo spazio interelettrodico e la larghezza della linea del design dell'effetto di frangia interdigitato sono impostati per essere uguali e vengono fabbricate due configurazioni: 200 μm e 300 μm. Prima della procedura di riscaldamento (fase 2.6), che può polimerizzare l'elettrodo, si raccomanda di pulire la superficie dell'elettrodo con nastro adesivo per evitare un potenziale cortocircuito tra le due tracce dell'elettrodo nella struttura interdigitata, poiché lo scotch può aderire selettivamente all'eccesso di liquame ECPCs non polimerizzato che rimane sulla superficie PDMS e gli ECPC riempiti nel microcanale possono essere mantenuti.
2. Preparare uno stampo stampato in 3D.
   NOTA: Lo stampo è progettato per avere una cavità (larga 3 cm, lunga 4 cm e con un'altezza di 10 mm) con un'apertura in cui può essere versato il silicone liquido.
3. Mescolare accuratamente i due componenti della schiuma flessibile di silicone al platino con rapporti di peso per la parte A: parte B di 1: 1 e 6: 1 per preparare strati dielettrici di schiume siliconiche morbide con due dimensioni dei pori. Mescolare velocemente.
   NOTA: La porosità può essere controllata regolando il rapporto di miscelazione della parte A e della parte B.
4. Versare il composto dell'ultimo passaggio nello stampo realizzato al punto 3.2.
5. Utilizzare una tavola con diversi fori per coprire l'apertura dello stampo.
6. Polimerizzare la miscela a temperatura ambiente per 1 ora.
   NOTA: Poiché la schiuma di silicone si espande fino a due o tre volte il suo volume originale dopo la polimerizzazione, la schiuma crescerà dai fori, il che significa che lo spessore della schiuma nella cavità sarà uguale all'altezza della cavità dello stampo.
7. Tagliare la schiuma di silicone in eccesso che passa attraverso i fori e rimuovere la tavola.
8. Posizionare la schiuma dielettrica preparata sopra lo strato di elettrodi morbidi interdigitati per finalizzare la fabbricazione del sensore di pressione.
   NOTA: Lo spessore della schiuma di silicone polimerizzata è di 10 mm.

4. Caratterizzazione della deformazione per l'elettrodo

1. Bloccare l'elettrodo fabbricato nella fase 2 tra gli stadi mobili di un motore passo-passo modificato.
2. Applicare la deformazione uniassiale all'elettrodo controllando lo stadio mobile per allungare l'elettrodo.
   NOTA: L'elasticità applicata può essere calcolata dallo spostamento dello stadio mobile.
3. Utilizzare un multimetro per registrare la misurazione della resistenza.

5. Caratterizzazione della pressione per l'elettrodo

1. Fabbricare un elettrodo a zig-zag con un design equivalente all'elettrodo interdigitato (passaggi 2.1-2.7).
   NOTA: Considerando che gli elettrodi a pettine dell'elettrodo interdigitato hanno più dita, l'elettrodo a zig-zag è progettato per assemblare le dita in un unico percorso conduttore per valutare le proprietà elettriche dell'elettrodo interdigitato. L'elettrodo testato include sei dita con una larghezza di 300 μm e la spaziatura tra le dita è di 2 mm.
2. Assemblare la piattaforma di carico a pressione collegando un'asta di carico stampata in 3D (2,5 cm di diametro), un sensore di pressione standard e lo stadio mobile di un motore passo-passo.
3. Posizionare l'elettrodo fabbricato sotto l'asta di carico stampata in 3D.
4. Applicare pressione all'elettrodo controllando lo stadio mobile per guidare l'asta di carico che si muove verticalmente verso l'elettrodo di una distanza programmata.
   NOTA: la pressione può essere controllata impostando lo spostamento dello stadio mobile e la pressione standard viene calcolata dalla misurazione della forza dal sensore di forza standard.
5. Utilizzare un multimetro per registrare la misurazione della resistenza.

6. Caratterizzazione della pressione per il sensore di pressione capacitivo

1. Utilizzare la stessa piattaforma del passaggio 5 per applicare pressione al sensore di pressione capacitivo fabbricato nel passaggio 3.
2. Utilizzare un misuratore LCR per registrare la misurazione della capacità.
   NOTA: La capacità viene misurata a una frequenza di prova di 1 kHz.

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