Microfluïdische kanaalgebaseerde zachte elektroden en hun toepassing in capacitieve drukdetectie

Summary

Flexibele elektroden hebben een breed scala aan toepassingen in zachte robotica en draagbare elektronica. Het huidige protocol demonstreert een nieuwe strategie om zeer rekbare elektroden met hoge resolutie te fabriceren via lithografisch gedefinieerde microfluïdische kanalen, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige hoogwaardige zachte druksensoren.

Abstract

Flexibele en rekbare elektroden zijn essentiële componenten in zachte kunstmatige sensorische systemen. Ondanks recente ontwikkelingen in flexibele elektronica, worden de meeste elektroden beperkt door de patroonresolutie of de mogelijkheid van inkjetprinten met superelastische materialen met een hoge viscositeit. In dit artikel presenteren we een eenvoudige strategie om op microkanalen gebaseerde rekbare composietelektroden te fabriceren, die kunnen worden bereikt door elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC's) in lithografisch reliëf microfluïdische kanalen te schrapen. De ECPC's werden bereid met behulp van een verdampingsmethode met vluchtige oplosmiddelen, waarbij een uniforme dispersie van koolstofnanobuisjes (CNT's) in een polydimethylsiloxaan (PDMS) matrix wordt bereikt. In vergelijking met conventionele fabricagemethoden kan de voorgestelde techniek de snelle fabricage van goed gedefinieerde rekbare elektroden met slurry met hoge viscositeit vergemakkelijken. Omdat de elektroden in dit werk waren opgebouwd uit volledig elastomeermaterialen, kunnen sterke onderlinge verbindingen worden gevormd tussen de op ECPC's gebaseerde elektroden en het op PDMS gebaseerde substraat op de interfaces van de microkanaalwanden, waardoor de elektroden mechanische robuustheid kunnen vertonen onder spanningen met hoge treksterkte. Daarnaast werd ook de mechanisch-elektrische respons van de elektroden systematisch bestudeerd. Ten slotte werd een zachte druksensor ontwikkeld door een diëlektrisch siliconenschuim en een interdigitated electrodes (IDE) -laag te combineren, en dit toonde een groot potentieel voor druksensoren in zachte robotachtige tactiele detectietoepassingen.

Introduction

Zachte druksensoren zijn op grote schaal onderzocht in toepassingen zoals pneumatische robotgrijpers¹, draagbare elektronica², mens-machine-interfacesystemen³, enz. In dergelijke toepassingen vereist het sensorische systeem flexibiliteit en rekbaarheid om conformaal contact met willekeurige kromlijnige oppervlakken te garanderen. Daarom vereist het alle essentiële componenten, inclusief het substraat, het transducerende element en de elektrode, om consistente functionaliteit te bieden onder extreme vervormingsomstandigheden⁴. Om hoge detectieprestaties te behouden, is het bovendien essentieel om de veranderingen in de zachte elektroden tot het minimumniveau te beperken om interferentie in de elektrische detectiesignalen te voorkomen⁵.

Als een van de kerncomponenten in zachte druksensoren zijn rekbare elektroden die hoge spannings- en rekniveaus kunnen ondersteunen cruciaal voor het apparaat om stabiele geleidende paden en impedantie-eigenschappen te behouden ^6,7. Zachte elektroden met uitstekende prestaties bezitten meestal 1) hoge ruimtelijke resolutie op micrometerschaal en 2) hoge rekbaarheid met sterke hechting aan het substraat, en dit zijn onmisbare kenmerken om sterk geïntegreerde zachte elektronica in een draagbare maat⁸ mogelijk te maken. Daarom zijn onlangs verschillende strategieën voorgesteld om zachte elektroden te ontwikkelen met de bovenstaande eigenschappen, zoals inkjetdruk, zeefdruk, spuitdruk en transferdruk, enz. ⁹. De inkjetdrukmethode⁶ is veel gebruikt vanwege de voordelen van eenvoudige fabricage, geen maskeringsvereiste en een lage hoeveelheid materiaalafval, maar het is moeilijk om patronen met een hoge resolutie te bereiken vanwege beperkingen in termen van de inktviscositeit. Zeefdruk¹⁰ en spuitdruk¹¹ zijn eenvoudige en kosteneffectieve patroonmethoden die een schaduwmasker op het substraat vereisen. De werking van het plaatsen of verwijderen van het masker kan echter de helderheid van het patroon verminderen. Hoewel transfer printing⁴ naar verluidt een veelbelovende manier is om afdrukken met een hoge resolutie te bereiken, lijdt deze methode aan een gecompliceerde procedure en een tijdrovend afdrukproces. Bovendien hebben de meeste zachte elektroden die door deze patroonmethoden worden geproduceerd andere nadelen, zoals delaminatie van het substraat.

Hierin presenteren we een nieuwe afdrukmethode voor de snelle fabricage van kosteneffectieve en hoge resolutie zachte elektroden op basis van microfluïdische kanaalconfiguraties. In vergelijking met andere conventionele fabricagemethoden maakt de voorgestelde strategie gebruik van elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC's) als het geleidende materiaal en lithografisch reliëf microfluïdische kanalen om de elektrodesporen te modelleren. De ECPCs-slurry wordt bereid volgens de oplosmiddelverdampingsmethode en bestaat uit 7 wt.% koolstofnanobuisjes (CNT's) die goed zijn gedispergeerd in een polydimethylsiloxaan (PDMS) matrix. Door de drijfmest van de ECPC's in het microfluïdische kanaal te schrapen, kunnen elektroden met een hoge resolutie worden geproduceerd die worden gedefinieerd door lithografische patronen. Omdat de elektrode voornamelijk gebaseerd is op PDMS, wordt bovendien een sterke hechting gecreëerd op het grensvlak tussen de op ECPC's gebaseerde elektrode en het PDMS-substraat. Zo kan de elektrode een rekniveau zo hoog als het PDMS-substraat ondersteunen. De experimentele resultaten bevestigen dat de voorgestelde rekbare elektrode lineair kan reageren op axiale spanningen tot 30% en een uitstekende stabiliteit vertoont in een hogedrukbereik van 0-400 kPa, wat wijst op het grote potentieel van deze methode voor het fabriceren van zachte elektroden in capacitieve druksensoren, wat ook in dit werk wordt aangetoond.

Protocol

1. Synthese van de ECPC's drijfmest

1. Dispergeer de CNT's tot een tolueenoplosmiddel met een gewichtsverhouding van 1:30 en verdun de PDMS-basis met tolueen met een gewichtsverhouding van 1:1.
   OPMERKING: De gehele experimentele procedure, die is weergegeven in figuur 1, moet worden uitgevoerd in een goed geventileerde zuurkast.
2. Roer de CNT's/tolueensuspensie en de PDMS/tolueenoplossing gedurende 1 uur magnetisch bij kamertemperatuur.
   OPMERKING: Met deze stap kunnen de CNT's goed worden verspreid in de PDMS-matrix in de volgende stap.
3. Meng de CNT's/tolueensuspensie en de PDMS/tolueenoplossing tot een vloeibaar mengsel van CNT's/PDMS/tolueen en roer dit mengsel magnetisch op een kookplaat bij 80 °C om het oplosmiddel (tolueen) te verdampen.
   OPMERKING: De verdamping van het oplosmiddel verhoogt de viscositeit van de oplossing, die nauwkeurig moet worden geregeld om het mengproces in de volgende stap te vergemakkelijken. De tijd die nodig is voor volledige verdamping van oplosmiddelen is 2 uur.
4. Voeg PDMS-uithardingsmiddel toe aan het CNT/PDMS/tolueenmengsel in een gewichtsverhouding van 10:1.
   OPMERKING: In dit stadium is de synthese van de ECPCs-drijfmest voltooid.

2. Fabricage van de op microfluïdische kanalen gebaseerde rekbare elektroden

1. Bereid de op SU-8 gebaseerde mal voor met verschillende patronen van microfluïdische kanalen met behulp van de conventionele lithografietechniek op een Si-wafer.
   OPMERKING: Het lithografieproces van de mal volgt de standaardmethode die wordt voorgesteld in het gegevensblad van de gebruikte fotoresist; De dikte van mallen is ongeveer 100 μm, terwijl drie verschillende lijnbreedtes van 50 μm, 100 μm en 200 μm worden gebruikt voor alle sporenstructuren.
2. Voer een silanisatieproces uit op de SU-8-mal door de mal onder te dompelen in de (3-aminopropyl) triethoxysilaanoplossing.
   OPMERKING: Deze stap vergemakkelijkt het afpellen van het PDMS.
3. Meng de PDMS-basisoplossing en het uithardingsmiddel met een gewichtsverhouding van 10:1 en plaats het niet-uitgeharde PDMS-mengsel in een vacuümexsiccator totdat alle luchtbellen verdwijnen.
4. Giet het ontgaste mengsel op de mal vervaardigd in stap 2.1 en plaats de mal met de niet-uitgeharde PDMS-oplossing op een kookplaat bij 85 °C gedurende 1 uur om het PDMS volledig uit te harden en het patroon van de mal over te brengen op de uitgeharde PDMS-film. Verwijder de PDMS-laag met behulp van een mes.
5. Giet een kleine hoeveelheid van de in stap 1 voorbereide ECPC's op het PDMS-oppervlak. Schraap de EBC-slurry voorzichtig langs het microfluïdische kanaal in reliëf met behulp van een scheermesje.
   OPMERKING: Tijdens dit schraap-coatingproces wordt de zeer viskeuze ECPCs-slurry effectief gevangen in het microkanaalpatroon en kunnen residuen die op het PDMS-oppervlak achterblijven tegelijkertijd door het mes worden verwijderd. Als het moeilijk is om de drijfmest van ECPC's in het microkanaal te schrapen, wordt aanbevolen om het monster te verwarmen om de viscositeit te verhogen. Deze coatingstap kan meerdere keren worden herhaald totdat het microkanaal is gevuld en continu geleidende elektroden zijn gevormd.
6. Verwarm het monster gedurende 2 uur op 70 °C.
7. Verbind koperdraden met de twee uiteinden van de elektroden die in de laatste stap zijn vervaardigd met behulp van geleidende zilverpasta. De aansluitplek wordt verder afgedicht en beschermd door de zelfklevende rubberen kit.
   OPMERKING: In dit stadium is de fabricage van de op ECPC's gebaseerde rekbare elektroden voltooid, zoals weergegeven in figuur 2.

3. Fabricage van de capacitieve druksensor

1. Fabriceer de zachte elektrode met een geïndigiteerd randeffectontwerp met behulp van de voorgestelde methode (stappen 2.1-2.7).
   OPMERKING: De interelectrode gap en lijnbreedte van het geïnterdigiteerde fringe effect ontwerp zijn ingesteld op hetzelfde en er worden twee configuraties gefabriceerd: 200 μm en 300 μm. Vóór de verwarmingsprocedure (stap 2.6), die de elektrode kan uitharden, wordt aanbevolen om het elektrodeoppervlak te reinigen met plakband om mogelijke kortsluiting tussen de twee elektrodesporen in de geïntercenteerde structuur te voorkomen, omdat de scotch tape selectief kan blijven kleven aan de overmatige niet-uitgeharde ECPC-slurry die op het PDMS-oppervlak achterblijft en de ECPC's die in het microkanaal zijn gevuld, kunnen worden behouden.
2. Bereid een 3D-geprinte mal voor.
   OPMERKING: De mal is ontworpen om een holte te hebben (3 cm breed, 4 cm lang en met een hoogte van 10 mm) met een opening waarin de vloeibare siliconen kunnen worden gegoten.
3. Meng de twee componenten van het flexibele platinasiliconenschuim grondig met gewichtsverhoudingen voor deel A: deel B van 1: 1 en 6: 1 om diëlektrische lagen zacht siliconenschuim met twee poriegroottes te bereiden. Roer snel.
   OPMERKING: De porositeit kan worden geregeld door de mengverhouding van deel A en deel B aan te passen.
4. Giet het mengsel van de laatste stap in de vorm gemaakt in stap 3.2.
5. Gebruik een plank met verschillende gaten om de malopening te bedekken.
6. Laat het mengsel gedurende 1 uur bij kamertemperatuur uitharden.
   OPMERKING: Omdat het siliconenschuim na uitharding uitzet tot twee tot drie keer het oorspronkelijke volume, zal het schuim uit de gaten groeien, wat betekent dat de dikte van het schuim in de holte gelijk is aan de hoogte van de schimmelholte.
7. Knip het overtollige siliconenschuim dat door gaten komt en verwijder het bord.
8. Plaats het voorbereide diëlektrische schuim bovenop de geïnterdigiteerde zachte elektrodelaag om de fabricage van de druksensor te voltooien.
   OPMERKING: De dikte van het uitgeharde siliconenschuim is 10 mm.

4. Rekkarakterisering voor de elektrode

1. Klem de in stap 2 vervaardigde elektrode tussen de bewegende trappen van een gemodificeerde stappenmotor.
2. Breng uniaxiale spanning aan op de elektrode door de bewegende trap te regelen om de elektrode uit te rekken.
   OPMERKING: De toegepaste rekbaarheid kan worden berekend uit de verplaatsing van de bewegende trap.
3. Gebruik een multimeter om de weerstandsmeting vast te leggen.

5. Drukkarakterisering voor de elektrode

1. Fabriceer een zigzagelektrode met een ontwerp dat gelijkwaardig is aan de geïnterdigiteerde elektrode (stappen 2.1-2.7).
   OPMERKING: Aangezien de kamelektroden van de geïnterdigiteerde elektrode meerdere vingers hebben, is de zigzagelektrode ontworpen om de vingers in één geleidend pad te assembleren om de elektrische eigenschappen van de geïnterdigiteerde elektrode te evalueren. De geteste elektrode omvat zes vingers met een breedte van 300 μm en de afstand tussen de vingers is 2 mm.
2. Monteer het druklaadplatform door een 3D-geprinte laadstang (2,5 cm in diameter), een standaard druksensor en de bewegende trap van een stappenmotor aan te sluiten.
3. Plaats de gefabriceerde elektrode onder de 3D-geprinte laadstang.
4. Oefen druk uit op de elektrode door de bewegende trap te regelen om de laadstang verticaal naar de elektrode te laten bewegen met een geprogrammeerde afstand.
   OPMERKING: De druk kan worden geregeld door de verplaatsing van de bewegende trap in te stellen en de standaarddruk wordt berekend door de krachtmeting van de standaardkrachtsensor.
5. Gebruik een multimeter om de weerstandsmeting vast te leggen.

6. Drukkarakterisering voor de capacitieve druksensor

1. Gebruik hetzelfde platform als in stap 5 om druk uit te oefenen op de capacitieve druksensor die in stap 3 is vervaardigd.
2. Gebruik een LCR-meter om de capaciteitsmeting vast te leggen.
   OPMERKING: De capaciteit wordt gemeten bij een testfrequentie van 1 kHz.

Results

Volgens het protocol kunnen ECPC's worden gemodelleerd via het microfluïdische kanaal, wat leidt tot de vorming van rekbare elektroden met een hoge resolutie. Figuren 3A, B tonen foto's van zachte elektroden met verschillende sporenontwerpen en printresoluties. Figuur 3C toont de verschillende lijnbreedtes van de gefabriceerde elektroden, waaronder 50 μm, 100 μm en 200 μm. De weerstand van elke elektrode is weergegeven in fi...

Discussion

In dit protocol hebben we een nieuwe microfluïdische kanaalgebaseerde printmethode voor rekbare elektroden gedemonstreerd. Het geleidende materiaal van de elektrode, de ECPCs-slurry, kan worden bereid met behulp van de oplosmiddelverdampingsmethode, waardoor de CNT's goed kunnen worden gedispergeerd in de PDMS-matrix, waardoor een geleidend polymeer wordt gevormd dat een rekbaarheid vertoont die zo hoog is als het PDMS-substraat.

In het schraapproces wordt de drijfmest van ECPC's snel gevuld i...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Camera	OPLENIC DIGITAL CAMERA
Carbon nanotubes (CNTs)	Nanjing Xianfeng Nano-technology		Diameter:10-20 nm,Lengte:10-30 μm
Hotplate roerder	Thermo Scientific	Super-Nuova+	Roer- en verwarmingsapparatuur
LCR-meter	Keysight	E4980AL	Capacitance Meetapparatuur
Microscoop	SDPTOP
Multimeter	Fluke		Weerstandsmeetapparatuur
Oven	Yamoto	DX412C	Verwarmingsapparatuur
Fotomasker	Shenzhen Weina Electronic Technology
Fotoresist	Microchem	SU-8 3050
Polydimethylsiloxaan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	Siliconen Elastomer
Siliconen schuim	Smooth on	Soma Foama 25	Tweedelige Platina Siliconen Flexibel Schuim
Siliconen wafer	Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology		Diameter: 2 inches
Roerder	IKA	Color Squid	Roerapparatuur
Tolueen	Sinopharm Chemical Reagent		Oplosmiddel voor de bereiding van ECPC's
Triethoxysilaan	Macklin