マイクロ流体チャネルベースのソフト電極とその静電容量式圧力センシングへの応用

Summary

フレキシブル電極は、ソフトロボティクスやウェアラブルエレクトロニクスに幅広い用途があります。本プロトコルは、リソグラフィ的に定義されたマイクロ流体チャネル を介して 高分解能で高伸縮性電極を製造するための新しい戦略を示しており、将来の高性能軟圧センサーへの道を開きます。

Abstract

柔軟で伸縮性のある電極は、ソフト人工感覚システムに不可欠なコンポーネントです。フレキシブルエレクトロニクスの最近の進歩にもかかわらず、ほとんどの電極は、パターニング解像度または高粘度の超弾性材料を使用したインクジェット印刷の機能によって制限されています。この論文では、弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)をリソグラフィエンボスマイクロ流体チャネルに掻き取ることによって達成できるマイクロチャネルベースの伸縮性複合電極を作製するための簡単な戦略を提示します。ECPCは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)マトリックス中のカーボンナノチューブ(CNT)の均一な分散を達成する揮発性溶媒蒸発法によって調製されました。提案技術は、従来の作製方法と比較して、高粘度スラリーを用いた明確に定義された伸縮性電極の迅速な作製を容易にすることができる。本研究の電極はオールエラストマー材料で構成されているため、ECPCベースの電極とPDMSベースの基板の間にマイクロチャネル壁の界面に強力なインターリンクを形成することができ、電極は高い引張ひずみの下で機械的堅牢性を示すことができます。さらに、電極の機械的 - 電気的応答も体系的に研究された。最後に、誘電体シリコーンフォームとインターディジット電極(IDE)層を組み合わせて軟圧センサを開発し、ソフトロボット触覚センシングアプリケーションにおける圧力センサの大きな可能性を示しました。

Introduction

軟圧センサは、空気圧ロボットグリ^ッパー1、ウェアラブルエレクトロニクス²、ヒューマンマシンインターフェースシステム³などのアプリケーションで広く検討されています。このような用途では、感覚系は、任意の曲線表面とのコンフォーマル接触を確実にするために柔軟性および伸縮性を必要とする。したがって、極端な変形条件下で一貫した機能を提供するために、基板、変換素子、電極を含むすべての必須コンポーネントが必要です⁴。また、高いセンシング性能を維持するためには、電気的なセンシング信号⁵への干渉を避けるために、ソフト電極の変化を最小限にとどめることが不可欠です。

軟圧センサのコアコンポーネントの1つとして、高い応力とひずみレベルを維持できる伸縮性電極は、デバイスが安定した導電経路とインピーダンス特性を維持するために重要です^6,7。優れた性能を持つソフト電極は、通常、1)マイクロメートルスケールでの高い空間分解能、2)基板との強固な接合による高い伸縮性を有しており、これらはウェアラブルサイズ⁸の高集....

Protocol

1. ECPCスラリーの合成

1. CNTを1:30の重量比でトルエン溶媒に分散させ、PDMSベースを1:1の重量比でトルエンで希釈します。
   注意: 図1に示す実験手順全体は、換気の良いドラフトで実行する必要があります。
2. CNT/トルエン懸濁液とPDMS/トルエン溶液を室温で1時間磁気的に攪拌します。
   注:このステップにより、CNTを次のステップでPDMSマトリックスに十分に分散させることができます。
3. CNT/トルエン懸濁液とPDMS/トルエン溶液を混合して液体CNT/PDMS/トルエン混合物を形成し、この混合物を80°Cのホットプレート上で磁気的に攪拌して溶媒(トルエン)を蒸発させます。
   注:溶媒の蒸発により溶液の粘度が上昇するため、次のステップでの混合プロセスを容易にするために正確に制御する必要があります。完全な溶媒蒸発に必要な時間は2時間です。
4. PDMS硬化剤をCNT/PDMS/トルエン混合物に10:1の重量比で添加します。
   注:この段階で、ECPCスラリーの合成は完了です。

2. マイクロ流体チャネルを用いた伸縮性電極の作製

1. Siウェーハ上の従来のリソグラフィ技術を使用して、さまざまなパターンのマイクロ流体チャネル....

Results

プロトコルに従って、ECPCはマイクロ流体チャネルを介してパターン化することができ、高解像度の伸縮性電極の形成につながります。図3A、Bは、異なるトレースデザインと印刷解像度を持つソフト電極の写真を示しています。図3Cは、50μm、100μm、および200μmを含む、作製された電極のさまざまな線幅を示しています。各電極の抵抗を図3Dに示しますが、オームの法則に基づいて予想されるように、線幅の減少とともに抵抗が増加することを示しています。また、蛇行電極は、蛇行電極の有効長が長いため、ライン構造の同じ幅の電極よりも高い抵抗を示した。軟質電極の伸縮性も図3Eに示されており、ECPCとマイクロチャネル壁の間の強力な界面により、電極がPDMS基板と同様の優れた伸縮性を示すことができたことを示しています。また、ライン電極とサーペンタイン電極の両方の抵抗は、0%〜30%の試験範囲内.......

Discussion

このプロトコルでは、伸縮性電極用の新しいマイクロ流体チャネルベースの印刷方法を実証しました。電極の導電性材料であるECPCスラリーは、溶媒蒸発法によって調製することができ、これによりCNTをPDMSマトリックスに良好に分散させ、PDMS基板と同等の高い伸縮性を示す導電性ポリマーを形成することができる。

掻き取りプロセスでは、ECPCスラリーは、かみそりの刃の助けを借りてPDMSマイクロ流体チャネルに急速に充填されます。したがって、スラリーの粘度は、掻き取り操作において重要な役割を果たす。ECPCスラリーの粘度が低いと、マイクロチャネルが部分的に充填され、開回路状態または著しく高い抵抗が発生する可能性があります。一方、粘度が高くなると、PDMS表面に過剰なスラリーが残り、高解像度のIDE構造に短絡を引き起こす可能性があります。導電性CNTはECPCスラリー中の7重量%のごく一部しか表さないが、電極のメガオームレベルの高抵抗は、ソフト静電容量式圧力センサの検出性能にほとんど影響を与えないことにも留意すべきである。

提案手法は高導電.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
カメラ	OPLENIC デジタルカメラ
カーボンナノチューブ(CNT)	南京 Xianfeng Nano-technology		直径:10-20 nm、長さ:10-30 μ
m ホットプレート撹拌機	Thermo Scientific	Super-Nuova+	撹拌加熱装置
LCRメーター	キーサイト	E4980AL	静電容量測定装置
顕微鏡	SDPTOP
マルチメーター	吸虫		抵抗測定装置
オーブン	矢本	DX412C	加熱装置
フォトマスク	深セン Weina 電子技術
フォトレジスト	Microchem	SU-8 3050
ポリジメチルシロキサン (PDMS)	ダウ コーニング	シルガード 184	シリコーン エラストマー
シリコーンフォーム		相馬 泡沫 25	2 成分プラチナシリコーン フレキシブルフォーム
シリコーンウェーハ	蘇州クリスタル シリコン 電子&技術		直径:2インチ
スター	ラーIKA	カラーイカ	攪拌装置
トルエン	シノファーム化学試薬		ECPC
トリエトキシシラン	マックリン