Miękkie elektrody oparte na kanałach mikroprzepływowych i ich zastosowanie w pojemnościowym czujniku ciśnienia

Summary

Elastyczne elektrody mają szeroki zakres zastosowań w miękkiej robotyce i elektronice do noszenia. Obecny protokół demonstruje nową strategię wytwarzania wysoce rozciągliwych elektrod o wysokiej rozdzielczości za pomocą litograficznie zdefiniowanych kanałów mikroprzepływowych, co toruje drogę dla przyszłych wysokowydajnych miękkich czujników ciśnienia.

Abstract

Elastyczne i rozciągliwe elektrody są niezbędnymi elementami miękkich sztucznych systemów sensorycznych. Pomimo ostatnich postępów w dziedzinie elastycznej elektroniki, większość elektrod jest ograniczona rozdzielczością wzoru lub możliwościami drukowania atramentowego z superelastycznych materiałów o wysokiej lepkości. W tym artykule przedstawiono prostą strategię wytwarzania rozciągliwych elektrod kompozytowych opartych na mikrokanałach, którą można osiągnąć poprzez zeskrobywanie elastycznych przewodzących kompozytów polimerowych (ECPC) do litograficznie wytłaczanych kanałów mikroprzepływowych. ECPC przygotowano metodą odparowywania lotnego rozpuszczalnika, która pozwala uzyskać równomierną dyspersję nanorurek węglowych (CNT) w matrycy polidimetylosiloksanu (PDMS). W porównaniu z konwencjonalnymi metodami wytwarzania, proponowana technika może ułatwić szybkie wytwarzanie dobrze zdefiniowanych, rozciągliwych elektrod z zawiesiną o wysokiej lepkości. Ponieważ elektrody w tej pracy zostały wykonane z materiałów całkowicie elastomerowych, między elektrodami opartymi na ECPC a podłożem opartym na PDMS na stykach ścianek mikrokanałów mogą powstawać silne wzajemne połączenia, co pozwala elektrodom wykazywać wytrzymałość mechaniczną przy dużych naprężeniach rozciągających. Ponadto systematycznie badano również odpowiedź mechaniczno-elektryczną elektrod. Wreszcie, opracowano miękki czujnik nacisku poprzez połączenie dielektrycznej pianki silikonowej i warstwy elektrod międzypalcowych (IDE), co wykazało ogromny potencjał czujników ciśnienia w zastosowaniach miękkich robotycznych czujników dotykowych.

Introduction

Miękkie czujniki nacisku były szeroko stosowane w zastosowaniach takich jak pneumatyczne chwytaki robotów¹, elektronika do noszenia², systemy interfejsu człowiek-maszyna³, itp. W takich zastosowaniach system sensoryczny wymaga elastyczności i rozciągliwości, aby zapewnić konforemny kontakt z dowolnymi powierzchniami krzywoliniowymi. W związku z tym wymaga wszystkich niezbędnych komponentów, w tym podłoża, elementu przetwornikowego i elektrody, aby zapewnić stałą funkcjonalność w warunkach ekstremalnych odkształceń⁴. Ponadto, aby utrzymać wysoką wydajność wykrywania, konieczne jest utrzymanie zmian w miękkich elektrodach na minimalnym poziomie, aby uniknąć zakłóceń w elektrycznych sygnałach czujnikowych⁵.

Jako jeden z podstawowych elementów miękkich czujników ciśnienia, rozciągliwe elektrody zdolne do wytrzymywania wysokich poziomów naprężeń i odkształceń są kluczowe dla zachowania przez urządzenie stabilnych ścieżek przewodzących i charakterystyki impedancji6^,7. Miękkie elektrody o doskonałych parametrach zwykle charakteryzują się 1) wysoką rozdzielczością przestrzenną w skali mikrometrycznej oraz 2) wysoką rozciągliwością z silnym wiązaniem z podłożem, a są to cechy niezbędne do umożliwienia wysoce zintegrowanej miękkiej elektroniki w rozmiarze nadającym się do noszenia⁸. W związku z tym ostatnio zaproponowano różne strategie opracowywania miękkich elektrod o powyższych właściwościach, takie jak druk atramentowy, sitodruk, druk natryskowy i druk transferowy itp.⁹. Metoda druku atramentowego⁶ jest szeroko stosowana ze względu na zalety prostej produkcji, braku wymogu maskowania i niskiej ilości odpadów materiałowych, ale trudno jest osiągnąć wzór w wysokiej rozdzielczości ze względu na ograniczenia pod względem lepkości atramentu. Sitodruk¹⁰ i druk natryskowy¹¹ to proste i opłacalne metody tworzenia wzorów, które wymagają nałożenia maski cienia na podłoże. Jednak operacja zakładania lub zdejmowania maski może zmniejszyć przejrzystość wzoru. Chociaż druk transferowy⁴ został uznany za obiecujący sposób na uzyskanie druku w wysokiej rozdzielczości, metoda ta ma skomplikowaną procedurę i czasochłonny proces drukowania. Co więcej, większość miękkich elektrod wytwarzanych tymi metodami modelowania ma inne wady, takie jak rozwarstwienie od podłoża.

Tutaj prezentujemy nowatorską metodę drukowania do szybkiego wytwarzania opłacalnych miękkich elektrod o wysokiej rozdzielczości opartych na mikroprzepływowych konfiguracjach kanałów. W porównaniu z innymi konwencjonalnymi metodami wytwarzania, proponowana strategia wykorzystuje elastyczne przewodzące kompozyty polimerowe (ECPC) jako materiał przewodzący oraz litograficznie wytłaczane kanały mikroprzepływowe do modelowania ścieżek elektrod. Zawiesina ECPC jest przygotowywana metodą odparowywania rozpuszczalnika i składa się z 7% wagowych nanorurek węglowych (CNT) dobrze zdyspergowanych w matrycy polidimetylosiloksanu (PDMS). Poprzez zeskrobanie zawiesiny ECPC do kanału mikroprzepływowego można wytworzyć elektrody o wysokiej rozdzielczości zdefiniowane przez wzór litograficzny. Ponadto, ponieważ elektroda jest oparta głównie na PDMS, na granicy faz między elektrodą opartą na ECPC a substratem PDMS powstaje silne wiązanie. W ten sposób elektroda może utrzymać poziom rozciągliwości tak wysoki, jak podłoże PDMS. Wyniki eksperymentów potwierdzają, że proponowana elektroda rozciągliwa może reagować liniowo na odkształcenia osiowe do 30% i wykazuje doskonałą stabilność w zakresie wysokiego ciśnienia 0-400 kPa, co wskazuje na duży potencjał tej metody do wytwarzania miękkich elektrod w pojemnościowych czujnikach ciśnienia, co również wykazano w niniejszej pracy.

Protocol

1. Synteza gnojowicy ECPCs

1. Rozproszyć CNT w rozpuszczalniku toluenowym w stosunku wagowym 1:30 i rozcieńczyć zasadę PDMS toluenem w stosunku wagowym 1:1,
   UWAGA: Cała procedura eksperymentalna, która jest pokazana w Rysunek 1, powinna być przeprowadzona w dobrze wentylowanym dygestorium.
2. Mieszać magnetycznie zawiesinę CNT/toluen i roztwór PDMS/toluenu w temperaturze pokojowej przez 1 h.
   UWAGA: Ten krok pozwala na dobre rozproszenie CNT w matrycy PDMS w następnym kroku.
3. Wymieszać zawiesinę CNT/toluenu i roztwór PDMS/toluenu, aby utworzyć płynną mieszaninę CNT/PDMS/toluen, a następnie magnetycznie wymieszać tę mieszaninę na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C w celu odparowania rozpuszczalnika (toluenu).
   UWAGA: Odparowanie rozpuszczalnika zwiększa lepkość roztworu, która musi być precyzyjnie kontrolowana, aby ułatwić proces mieszania w następnym kroku. Czas potrzebny do całkowitego odparowania rozpuszczalnika wynosi 2 godziny.
4. Dodać utwardzacz PDMS do mieszaniny CNT/PDMS/toluenu w stosunku wagowym 10:1,
   UWAGA: Na tym etapie synteza gnojowicy ECPC jest zakończona.

2. Wytwarzanie rozciągliwych elektrod opartych na kanale mikroprzepływowym

1. Przygotuj formę na bazie SU-8 z różnymi wzorami kanałów mikroprzepływowych przy użyciu konwencjonalnej techniki litografii na płytce Si.
   UWAGA: Proces litografii formy przebiega zgodnie ze standardową metodą sugerowaną w karcie katalogowej zastosowanego fotorezystu; Grubość form wynosi około 100 μm, podczas gdy dla wszystkich struktur śladowych stosowane są trzy różne szerokości linii: 50 μm, 100 μm i 200 μm.
2. Przeprowadź proces silanizacji na formie SU-8, zanurzając formę w roztworze (3-aminopropylo) trietoksysilanu.
   UWAGA: Ten krok ułatwia odklejanie PDMS.
3. Wymieszać roztwór podstawowy PDMS i utwardzacz w stosunku wagowym 10:1 i umieścić nieutwardzoną mieszaninę PDMS w eksykatorze próżniowym, aż wszystkie pęcherzyki powietrza znikną.
4. Wlej odgazowaną mieszaninę na formę wykonaną w kroku 2.1 i umieść formę z nieutwardzonym roztworem PDMS na płycie grzejnej w temperaturze 85 °C na 1 godzinę, aby całkowicie utwardzić PDMS i przenieść wzór formy na utwardzoną folię PDMS. Oderwij warstwę PDMS za pomocą ostrza.
5. Odleć niewielką ilość ECPC przygotowanych w kroku 1 na powierzchnię PDMS. Ostrożnie zeskrob zawiesinę ECPC wzdłuż wytłoczonego kanału mikroprzepływowego za pomocą żyletki.
   UWAGA: Podczas tego procesu powlekania skrobania, zawiesina ECPC o wysokiej lepkości jest skutecznie zatrzymywana we wzorze mikrokanałów, a pozostałości pozostawione na powierzchni PDMS mogą być jednocześnie usuwane przez ostrze. Jeśli trudno jest zeskrobać zawiesinę ECPC do mikrokanału, zaleca się podgrzanie próbki w celu zwiększenia jej lepkości. Ten etap powlekania można powtarzać wiele razy, aż mikrokanalik zostanie wypełniony i uformowane zostaną ciągłe elektrody przewodzące.
6. Podgrzewać próbkę w temperaturze 70 °C przez 2 godziny.
7. Podłącz druty miedziane do dwóch końców elektrod wykonanych w ostatnim kroku za pomocą przewodzącej pasty srebrnej. Miejsce połączenia jest dodatkowo uszczelnione i zabezpieczone klejem gumowym.
   UWAGA: Na tym etapie produkcja rozciągliwych elektrod opartych na ECPC jest zakończona, jak pokazano na rysunku Rysunek 2.

3. Produkcja pojemnościowego czujnika ciśnienia

1. Wykonać miękką elektrodę z projektem z efektem międzypalcowego prążka, stosując proponowaną metodę (kroki 2.1-2.7).
   UWAGA: Odstęp między elektrodami i szerokość linii projektu efektu międzypalcowego prążka są ustawione na takie same i produkowane są dwie konfiguracje: 200 μm i 300 μm. Przed procedurą ogrzewania (krok 2.6), która może utwardzić elektrodę, zaleca się oczyszczenie powierzchni elektrody taśmą samoprzylepną, aby uniknąć potencjalnego zwarcia między dwiema ścieżkami elektrody w strukturze międzypalcowej, ponieważ taśma klejąca może selektywnie przyklejać się do nadmiaru nieutwardzonej zawiesiny ECPC pozostającej na powierzchni PDMS, a ECPC wypełnione w mikrokanaliku mogą zostać zatrzymane.
2. Przygotuj formę wydrukowaną w 3D.
   UWAGA: Forma została zaprojektowana tak, aby posiadała wgłębienie (3 cm szerokości, 4 cm długości i wysokości 10 mm) z otworem, do którego można wlać płynny silikon.
3. Dokładnie wymieszaj dwa składniki elastycznej pianki silikonowej platynowej w proporcjach wagowych dla części A: części B 1:1 i 6:1, aby przygotować warstwy dielektryczne miękkich pianek silikonowych o dwóch rozmiarach porów. Szybko wymieszaj.
   UWAGA: Porowatość można kontrolować, regulując proporcje mieszania części A i części B.
4. Wlej mieszaninę z ostatniego kroku do formy wykonanej w kroku 3.2.
5. Użyj deski z kilkoma otworami, aby zakryć otwór formy.
6. Mieszaninę utwardzić w temperaturze pokojowej przez 1 godz.
   UWAGA: Ponieważ pianka silikonowa rozszerza się do dwu- lub trzykrotnie większej niż pierwotna objętość po utwardzeniu, pianka wyrośnie z otworów, co oznacza, że grubość pianki we wnęce będzie równa wysokości wnęki formy.
7. Odetnij nadmiar pianki silikonowej, która przechodzi przez otwory i usuń deskę.
8. Umieść przygotowaną piankę dielektryczną na wierzchu międzypalcowej warstwy miękkiej elektrody, aby sfinalizować produkcję czujnika ciśnienia.
   UWAGA: Grubość utwardzonej pianki silikonowej wynosi 10 mm.

4. Charakterystyka odkształcenia elektrody

1. Clamp elektrodę wytworzoną w kroku 2 pomiędzy ruchomymi stopniami zmodyfikowanego silnika krokowego.
2. Zastosuj jednoosiowe naprężenie do elektrody, kontrolując ruchomy stopień, aby rozciągnąć elektrodę.
   UWAGA: Zastosowaną rozciągliwość można obliczyć na podstawie przemieszczenia ruchomego stopnia.
3. Użyj multimetru, aby zarejestrować pomiar rezystancji.

5. Charakterystyka ciśnienia dla elektrody

1. Wykonać elektrodę zygzakowatą o konstrukcji równoważnej elektrodzie międzypalcowej (kroki 2.1-2.7).
   UWAGA: Biorąc pod uwagę, że elektrody grzebieniowe elektrody międzypalcowej mają wiele palców, elektroda zygzakowata jest zaprojektowana do łączenia palców w jedną ścieżkę przewodzącą w celu oceny właściwości elektrycznych elektrody międzypalcowej. W skład badanej elektrody wchodzi sześć palców o szerokości 300 μm, a odstęp między palcami wynosi 2 mm.
2. Zamontuj ciśnieniową platformę załadowczą, podłączając wydrukowany w 3D pręt ładujący (o średnicy 2,5 cm), standardowy czujnik ciśnienia i ruchomy stolik silnika krokowego.
3. Umieść sfabrykowaną elektrodę pod wydrukowanym w 3D prętem ładującym.
4. Wywieraj nacisk na elektrodę, kontrolując ruchomy stopień, aby napędzać pręt ładujący poruszający się pionowo w kierunku elektrody o zaprogramowaną odległość.
   UWAGA: Ciśnienie można kontrolować, ustawiając przemieszczenie ruchomego stopnia, a standardowe ciśnienie jest obliczane na podstawie pomiaru siły ze standardowego czujnika siły.
5. Użyj multimetru, aby zarejestrować pomiar rezystancji.

6. Charakterystyka ciśnienia dla pojemnościowego czujnika ciśnienia

1. Użyj tej samej platformy, co w kroku 5, aby wywrzeć nacisk na pojemnościowy czujnik ciśnienia wyprodukowany w kroku 3.
2. Użyj miernika LCR, aby zarejestrować pomiar pojemności.
   UWAGA: Pojemność jest mierzona przy częstotliwości testowej 1 kHz.

Results

Zgodnie z protokołem, ECPC mogą być wzorowane za pomocą kanału mikroprzepływowego, co prowadzi do tworzenia rozciągliwych elektrod o wysokiej rozdzielczości. Rysunki 3A, B pokazują zdjęcia miękkich elektrod z różnymi wzorami ścieżek i rozdzielczościami drukowania. Rysunek 3C pokazuje różne szerokości linii wytwarzanych elektrod, w tym 50 μm, 100 μm i 200 μm. Rezystancja każdej elektrody jest przedstawiona w postaci Rysunek 3D...

Discussion

W tym protokole zademonstrowaliśmy nowatorską metodę drukowania elektrod rozciągliwych opartą na kanałach mikroprzepływowych. Materiał przewodzący elektrody, zawiesinę ECPCs, można przygotować metodą odparowania rozpuszczalnika, która pozwala na dobre rozproszenie CNT w matrycy PDMS, tworząc w ten sposób przewodzący polimer, który wykazuje rozciągliwość tak wysoką jak podłoże PDMS.

W procesie skrobania gnojowica ECPC jest szybko wprowadzana do kanału mikroprzepływowego PDMS za pomocą żyletki. ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aparat fotograficzny	OPLENIC APARAT
Nanorurki węglowe (CNT)	Nanjing Xianfeng Nano-technologia		Średnica: 10-20 nm, Długość: 10-30 i mu; m
Mieszadło z płytą grzejną	Thermo Scientific	Super-Nuova+	Sprzęt do mieszania i podgrzewania
Miernik LCR	Keysight	E4980AL	Sprzęt do pomiaru pojemności
Mikroskop Multimetr	SDPTOP
	Fluke		Sprzęt do pomiaru rezystancji
Piekarnik	Yamoto	DX412C	Urządzenia grzewcze
Maska fotograficzna	Shenzhen Weina Electronic Technology
Photoresist	Microchem	SU-8 3050
Polidimetylosiloksan (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	Elastomer silikonowy
Pianka silikonowa	Gładka na	Soma Foama 25	Dwuskładnikowa Platynowa Silikon Elastyczna Pianka
Wafel silikonowy	Suzhou Crystal Silicon Electronic & Średnica technologii		: 2 cale
Mieszadło	IKA	Color Squid	Sprzęt do mieszania
Toluen	Sinopharm Odczynnik		Rozpuszczalnik do przygotowania ECPC
Trietoksysilan	Macklin