Summary
Les électrodes flexibles ont un large éventail d’applications dans la robotique douce et l’électronique portable. Le protocole actuel démontre une nouvelle stratégie pour fabriquer des électrodes hautement extensibles à haute résolution via des canaux microfluidiques définis lithographiquement, ce qui ouvre la voie à de futurs capteurs de pression douce haute performance.
Abstract
Les électrodes flexibles et extensibles sont des composants essentiels des systèmes sensoriels artificiels souples. Malgré les progrès récents de l’électronique flexible, la plupart des électrodes sont limitées par la résolution des motifs ou la capacité de l’impression à jet d’encre avec des matériaux super-élastiques à haute viscosité. Dans cet article, nous présentons une stratégie simple pour fabriquer des électrodes composites extensibles à base de microcanaux, qui peuvent être obtenues en grattant des composites polymères conducteurs élastiques (ECPC) dans des canaux microfluidiques lithographiquement gaufrés. Les ECPC ont été préparés par une méthode d’évaporation de solvants volatils, qui permet d’obtenir une dispersion uniforme de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS). Par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles, la technique proposée peut faciliter la fabrication rapide d’électrodes extensibles bien définies avec une suspension à haute viscosité. Étant donné que les électrodes de ce travail étaient constituées de matériaux entièrement élastomères, de fortes liaisons peuvent être formées entre les électrodes à base d’ECPC et le substrat à base de PDMS aux interfaces des parois des microcanaux, ce qui permet aux électrodes de présenter une robustesse mécanique sous des contraintes de traction élevées. De plus, la réponse mécanique-électrique des électrodes a également été systématiquement étudiée. Enfin, un capteur de pression douce a été développé en combinant une mousse de silicone diélectrique et une couche d’électrodes interdigitées (IDE), ce qui a démontré un grand potentiel pour les capteurs de pression dans les applications de détection tactile robotique douce.
Introduction
Les capteurs de pression douce ont été largement explorés dans des applications telles que les préhenseurs robotiques pneumatiques1, l’électronique portable2, les systèmes d’interface homme-machine3, etc. Dans de telles applications, le système sensoriel nécessite flexibilité et extensibilité pour assurer un contact conforme avec des surfaces curvilignes arbitraires. Par conséquent, il nécessite tous les composants essentiels, y compris le substrat, l’élément transducteur et l’électrode, pour fournir une fonctionnalité cohérente dans des conditions de déformation extrêmes4. De plus, pour maintenir des performances de détection élevées, il est essentiel de maintenir les changements dans les électrodes souples au niveau minimum pour éviter les interférences dans les signaux de détection électrique5.
En tant que l’un des composants essentiels des capteurs de pression douce, les électrodes extensibles capables de supporter des niveaux de contrainte et de déformation élevés sont cruciales pour que le dispositif préserve des voies conductrices stables et des caractéristiques d’impédance 6,7. Les électrodes souples avec d’excellentes performances possèdent généralement 1) une résolution spatiale élevée à l’échelle micrométrique et 2) une grande extensibilité avec une forte adhérence au substrat, et ce sont des caractéristiques indispensables pour permettre une électronique souple hautement intégrée dans une taille portable8. Par conséquent, diverses stratégies ont été proposées récemment pour développer des électrodes souples avec les propriétés ci-dessus, telles que l’impression à jet d’encre, la sérigraphie, l’impression par pulvérisation et l’impression par transfert, etc. 9. La méthode d’impression à jet d’encre6 a été largement utilisée en raison de ses avantages de fabrication simple, d’absence de masquage et de faible quantité de déchets de matériaux, mais il est difficile d’obtenir des motifs haute résolution en raison des limitations en termes de viscosité de l’encre. La sérigraphie10 et la pulvérisation11 sont des méthodes de modelage simples et rentables qui nécessitent un masque d’ombre sur le substrat. Cependant, l’opération de placement ou de retrait du masque peut réduire la clarté du motif. Bien que l’impression par transfert4 ait été signalée comme un moyen prometteur d’obtenir une impression haute résolution, cette méthode souffre d’une procédure compliquée et d’un processus d’impression long. De plus, la plupart des électrodes souples produites par ces méthodes de modelage présentent d’autres inconvénients, tels que le délaminage du substrat.
Nous présentons ici une nouvelle méthode d’impression pour la fabrication rapide d’électrodes souples rentables et à haute résolution basées sur des configurations de canaux microfluidiques. Par rapport à d’autres méthodes de fabrication conventionnelles, la stratégie proposée utilise des composites polymères conducteurs élastiques (ECPC) comme matériau conducteur et des canaux microfluidiques lithographiquement gaufrés pour modeler les traces d’électrodes. La boue ECPC est préparée par la méthode d’évaporation du solvant et se compose de 7 % en poids de nanotubes de carbone (NTC) bien dispersés dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS). En raclant la boue ECPC dans le canal microfluidique, des électrodes à haute résolution définies par des motifs lithographiques peuvent être produites. De plus, comme l’électrode est principalement basée sur PDMS, une forte liaison est créée à l’interface entre l’électrode basée sur ECPC et le substrat PDMS. Ainsi, l’électrode peut supporter un niveau d’étirement aussi élevé que le substrat PDMS. Les résultats expérimentaux confirment que l’électrode extensible proposée peut répondre linéairement à des déformations axiales jusqu’à 30% et présenter une excellente stabilité dans une plage de haute pression de 0 à 400 kPa, indiquant le grand potentiel de cette méthode pour la fabrication d’électrodes souples dans des capteurs de pression capacitifs, ce qui est également démontré dans ce travail.
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Protocol
1. Synthèse de la boue ECPC
- Disperser les NTC dans un solvant toluène à un rapport pondéral de 1:30 et diluer la base PDMS avec du toluène à un rapport pondéral de 1:1.
NOTA: L’ensemble de la procédure expérimentale, qui est illustrée à la figure 1, doit être effectué dans une hotte bien ventilée. - Agiter magnétiquement la suspension NTC/toluène et la solution PDMS/toluène à température ambiante pendant 1 h.
REMARQUE: Cette étape permet aux NTC d’être bien dispersés dans la matrice PDMS à l’étape suivante. - Mélanger la suspension de NTC/toluène et la solution PDMS/toluène pour former un mélange liquide NTC/PDMS/toluène, et agiter magnétiquement ce mélange sur une plaque chauffante à 80 °C pour évaporer le solvant (toluène).
REMARQUE: L’évaporation du solvant augmente la viscosité de la solution, qui doit être contrôlée avec précision pour faciliter le processus de mélange à l’étape suivante. Le temps nécessaire à l’évaporation complète du solvant est de 2 h. - Ajouter l’agent de durcissement PDMS dans le mélange NTC/PDMS/toluène à un rapport pondéral de 10:1.
NOTE: A ce stade, la synthèse de la boue ECPC est terminée.
2. Fabrication des électrodes extensibles à base de canaux microfluidiques
- Préparer le moule à base de SU-8 avec différents modèles de canaux microfluidiques en utilisant la technique de lithographie conventionnelle sur une plaquette de Si.
NOTE: Le processus de lithographie du moule suit la méthode standard suggérée dans la fiche technique de la résine photosensible utilisée; L’épaisseur des moules est d’environ 100 μm, tandis que trois largeurs de ligne différentes de 50 μm, 100 μm et 200 μm sont utilisées pour toutes les structures de traces. - Effectuer un processus de silanisation sur le moule SU-8 en immergeant le moule dans la solution de (3-aminopropyl) triéthoxysilane.
REMARQUE: Cette étape facilite le décollement du PDMS. - Mélanger la solution de base PDMS et l’agent de durcissement avec un rapport pondéral de 10:1, et placer le mélange PDMS non durci dans un dessiccateur sous vide jusqu’à ce que toutes les bulles d’air disparaissent.
- Verser le mélange dégazé sur le moule fabriqué à l’étape 2.1 et placer le moule avec la solution PDMS non durcie sur une plaque chauffante à 85 °C pendant 1 h pour durcir complètement le PDMS et transférer le motif du moule sur le film PDMS durci. Décollez le calque PDMS à l’aide d’une lame.
- Coulez une petite quantité des ECPC préparés à l’étape 1 sur la surface PDMS. Grattez soigneusement la boue ECPC le long du canal microfluidique gaufré à l’aide d’une lame de rasoir.
REMARQUE: Au cours de ce processus de revêtement par éraflure, la boue ECPC très visqueuse est effectivement piégée dans le motif du microcanal, et les résidus laissés sur la surface PDMS peuvent être éliminés simultanément par la lame. S’il est difficile de gratter la boue ECPC dans le microcanal, il est recommandé de chauffer l’échantillon pour augmenter sa viscosité. Cette étape de revêtement peut être répétée plusieurs fois jusqu’à ce que le microcanal soit rempli et que des électrodes conductrices continues soient formées. - Chauffer l’échantillon à 70 °C pendant 2 h.
- Connectez les fils de cuivre aux deux extrémités des électrodes fabriquées lors de la dernière étape à l’aide de pâte d’argent conductrice. Le point de connexion est en outre scellé et protégé par le mastic adhésif en caoutchouc.
REMARQUE : À ce stade, la fabrication des électrodes extensibles à base d’ECPC est terminée, comme le montre la figure 2.
3. Fabrication du capteur de pression capacitif
- Fabriquer l’électrode souple avec un dessin à effet de frange interdigité en utilisant la méthode proposée (étapes 2.1-2.7).
REMARQUE: L’espace entre électrodes et la largeur de ligne de la conception à effet de frange interdigitée sont définis pour être les mêmes, et deux configurations sont fabriquées: 200 μm et 300 μm. Avant la procédure de chauffage (étape 2.6), qui peut durcir l’électrode, il est recommandé de nettoyer la surface de l’électrode avec du ruban adhésif pour éviter un court-circuit potentiel entre les deux traces d’électrode dans la structure interdigitée, car le ruban adhésif peut adhérer sélectivement à la boue excessive de PCUC non durcie restant sur la surface PDMS, et les ECPC remplis dans le microcanal peuvent être conservés. - Préparez un moule imprimé en 3D.
REMARQUE: Le moule est conçu pour avoir une cavité (3 cm de large, 4 cm de long et une hauteur de 10 mm) avec une ouverture dans laquelle le silicone liquide peut être versé. - Mélangez soigneusement les deux composants de la mousse souple en silicone de platine avec les rapports de poids pour la partie A: Partie B de 1: 1 et 6: 1 pour préparer des couches diélectriques de mousses de silicone souple avec deux tailles de pores. Remuez rapidement.
NOTE: La porosité peut être contrôlée en ajustant le rapport de mélange de la partie A et de la partie B. - Versez le mélange de la dernière étape dans le moule réalisé à l’étape 3.2.
- Utilisez une planche avec plusieurs trous pour couvrir l’ouverture du moule.
- Durcir le mélange à température ambiante pendant 1 h.
REMARQUE: Étant donné que la mousse de silicone se dilate à deux à trois fois son volume d’origine après durcissement, la mousse sortira des trous, ce qui signifie que l’épaisseur de la mousse dans la cavité sera égale à la hauteur de la cavité du moule. - Coupez l’excès de mousse de silicone qui passe par les trous et retirez la planche.
- Placez la mousse diélectrique préparée sur la couche d’électrode souple interdigitée pour finaliser la fabrication du capteur de pression.
REMARQUE: L’épaisseur de la mousse de silicone durcie est de 10 mm.
4. Caractérisation de la contrainte pour l’électrode
- Serrez l’électrode fabriquée à l’étape 2 entre les étapes mobiles d’un moteur pas à pas modifié.
- Appliquez une contrainte uniaxiale à l’électrode en contrôlant l’étage mobile pour étirer l’électrode.
REMARQUE: L’extensibilité appliquée peut être calculée à partir du déplacement de l’étage mobile. - Utilisez un multimètre pour enregistrer la mesure de résistance.
5. Caractérisation de la pression de l’électrode
- Fabriquez une électrode en zigzag avec une conception équivalente à l’électrode interdigitée (étapes 2.1-2.7).
REMARQUE: Étant donné que les électrodes en peigne de l’électrode interdigitée ont plusieurs doigts, l’électrode en zigzag est conçue pour assembler les doigts dans une seule voie conductrice afin d’évaluer les propriétés électriques de l’électrode interdigitée. L’électrode testée comprend six doigts d’une largeur de 300 μm et l’espacement entre les doigts est de 2 mm. - Assemblez la plate-forme de chargement sous pression en connectant une tige de chargement imprimée en 3D (2,5 cm de diamètre), un capteur de pression standard et l’étage mobile d’un moteur pas à pas.
- Placez l’électrode fabriquée sous la tige de chargement imprimée en 3D.
- Appliquez une pression sur l’électrode en contrôlant l’étage mobile pour entraîner la tige de chargement se déplaçant verticalement vers l’électrode par une distance programmée.
REMARQUE: La pression peut être contrôlée en réglant le déplacement de l’étage mobile, et la pression standard est calculée par la mesure de force du capteur de force standard. - Utilisez un multimètre pour enregistrer la mesure de résistance.
6. Caractérisation de la pression pour le capteur de pression capacitif
- Utilisez la même plate-forme qu’à l’étape 5 pour appliquer une pression au capteur de pression capacitif fabriqué à l’étape 3.
- Utilisez un compteur LCR pour enregistrer la mesure de capacité.
NOTE: La capacité est mesurée à une fréquence d’essai de 1 kHz.
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Representative Results
En suivant le protocole, les ECPC peuvent être modelés via le canal microfluidique, ce qui conduit à la formation d’électrodes extensibles à haute résolution. Les figures 3A, B montrent des photographies d’électrodes souples avec différents dessins de traces et résolutions d’impression. La figure 3C montre les différentes largeurs de ligne des électrodes fabriquées, y compris 50 μm, 100 μm et 200 μm. La résistance de chaque électrode est présentée à la figure 3D, qui montre que la résistance augmente avec la diminution de la largeur des lignes, comme prévu sur la base de la loi d’Ohm. Les électrodes serpentines ont également montré une résistance plus élevée que les électrodes de même largeur avec une structure de ligne en raison de la longueur effective plus longue des électrodes serpentines. L’extensibilité des électrodes souples est également démontrée à la figure 3E, qui montre que les interfaces fortes entre les ECPC et la paroi du microcanal ont permis à l’électrode de présenter une grande extensibilité similaire au substrat PDMS. Il a également été noté que la résistance des électrodes linéaires et serpentines augmentait linéairement avec la déformation de traction dans la direction longitudinale dans la plage d’essai de 0% à 30%. Les résultats indiquent que la modification de la résistance peut être purement attribuée à l’effet géométrique. En raison de l’effet de libération de la déformation, la sensibilité de l’électrode serpentine (S p) était inférieure à celle de l’électrode de structure de ligne (Sl) pour la même largeur de ligne. De plus, une conception plus complexe des électrodes interdigitées (IDE) a été développée avec succès avec une résolution spatiale élevée basée sur la méthode de fabrication proposée, comme le montre la figure 4. Une conception d’électrode en zigzag (ZZE) avec une structure équivalente a également été fabriquée pour tester la stabilité électrique de l’IDE. La résistance mesurée a montré une variation de 0,71% dans la plage de pression de 0-415 kPa car il n’y avait aucun dommage structurel dans l’électrode, ce qui indique que l’IDE est adapté à la détection de pression.
Comme le montre la figure 5A, dans cette étude, un capteur de pression douce a été développé en combinant une mousse de silicone diélectrique et la couche IDE. Lorsque la pression externe était appliquée à la mousse, la constante diélectrique augmentait en raison de la réduction de la fraction volumique d’air (figure 5B), ce qui entraînait une augmentation de la capacité du capteur. L’influence des largeurs de ligne IDE et des fractions volumiques d’air sur les performances de détection capacitive a été étudiée, comme le montre la figure 5C. Il a été constaté que le dispositif avec une largeur de ligne de 200 μm avait une sensibilité plus élevée en raison de l’effet de champ de frange plus fort. La mousse avec un rapport de poids de la partie A:Partie B plus élevé de 6:1 avait également une sensibilité plus élevée que la mousse avec une fraction d’air inférieure; Ce résultat peut s’expliquer par le fait que la mousse avec un rapport de poids de 1:1 avait beaucoup plus d’air, de sorte que l’impact de la déformation sur la constante diélectrique était plus faible, ce qui a conduit à une sensibilité plus faible12. De plus, la répétabilité du capteur est démontrée à la figure 5D; , Ici, le test cyclique a révélé que le capteur capacitif souple fabriqué maintenait une répétabilité élevée grâce à 1 000 charges de pression cycliques. En effet, les mousses à cellules fermées ont peu de comportement viscoélastique, de sorte que la mousse ne présente pas de déformation permanente sous une charge cyclique.
Figure 1 : Processus de fabrication de la boue conductrice ECPC. (A) Préparation de la suspension NTC/toluène. B) Préparation de la solution PDMS/toluène. C) Préparation de la suspension des NTC/PDMS/toluène. (D) Évaporation de l’excès de solvant toluène. E) Préparation du lisier ECPC. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Processus de fabrication des électrodes souples à base de canaux microfluidiques. (A) Moule SU-8 défini lithographiquement. B) Mise au point du modèle de moule SU-8. (C) Modèles PDMS. D) Revêtement par éraflure de la boue de CEUC. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Fabrication et résistance des électrodes extensibles. Photographies d’électrodes sous la forme (A) d’une bande et (barre d’échelle, 5 mm) (B) d’un dessin serpentin avec différentes résolutions de motifs (barre d’échelle, 5 mm). (C) Image au microscope optique des électrodes fabriquées avec des largeurs de ligne de 50 μm, 100 μm et 200 μm, respectivement. (D) La résistance des différentes électrodes avec différentes largeurs de ligne. (E) Les variations des résistances des différentes électrodes sous une contrainte de traction allant jusqu’à 30 %. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Stabilité de la résistance de l’électrode testée. La résistance de l’électrode souple de conception équivalente à l’IDE est restée inchangée dans une plage de pression de compression normale de 0 à 400 kPa. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Caractérisation du capteur de pression douce proposé. (A) Photographie du capteur de pression capacitif souple proposé à base d’IDE et de mousse diélectrique de silicone (barre d’échelle, 5 mm). B) Principe de fonctionnement du capteur de pression proposé. (C) Les changements dans la capacité des capteurs de pression avec différentes largeurs de ligne IDE et porosités de mousse diélectrique. D) Essai cyclique du capteur de pression pendant 1 000 cycles. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Dans ce protocole, nous avons démontré une nouvelle méthode d’impression par canal microfluidique pour les électrodes extensibles. Le matériau conducteur de l’électrode, la boue ECPC, peut être préparé par la méthode d’évaporation du solvant, ce qui permet aux NTC d’être bien dispersés dans la matrice PDMS, formant ainsi un polymère conducteur qui présente une extensibilité aussi élevée que le substrat PDMS.
Dans le processus de grattage, la boue ECPC est rapidement remplie dans le canal microfluidique PDMS à l’aide d’une lame de rasoir. Par conséquent, la viscosité de la boue joue un rôle crucial dans l’opération de grattage. Une viscosité plus faible de la boue ECPC entraînerait des microcanaux partiellement remplis, ce qui pourrait provoquer un état de circuit ouvert ou une résistance significativement plus élevée. D’autre part, une viscosité plus élevée pourrait entraîner un excès de boue restant sur la surface PDMS, induisant un court-circuit dans les structures IDE haute résolution. Il convient également de noter que bien que les NTC conducteurs ne représentent qu’une petite fraction de 7 % en poids dans la boue ECPC, la résistance élevée de l’électrode au niveau mégaohm a un impact négligeable sur les performances de détection des capteurs de pression capacitifs souples.
La méthode proposée ne convient pas à la fabrication d’électrodes hautement conductrices. Par conséquent, un réseau électrique amélioré de PDMS dopé aux NTC doit être étudié plus avant pour maintenir la conductivité des électrodes lorsqu’elles sont étirées.
Par rapport aux électrodes produites par les méthodes de fabrication existantes, telles que l’impression à jet d’encre6, la sérigraphie10, l’impression par pulvérisation11 et l’impression par transfert4, les électrodes souples à base de canaux microfluidiques proposées présentent les avantages d’une résolution d’impression élevée et d’une grande extensibilité avec une forte adhérence au substrat.
Le protocole présenté dans cette recherche combine les mérites des matériaux extensibles et des canaux microfluidiques, permettant une méthode de fabrication rapide et peu coûteuse pour produire des électrodes extensibles à haute résolution pour les applications de détection tactile robotique douce.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre de la subvention 62273304.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera | OPLENIC DIGITAL CAMERA | ||
| Carbon nanotubes (CNTs) | Nanjing Xianfeng Nano-technology | Diameter:10-20 nm,Length:10-30 μm | |
| Hotplate stirrer | Thermo Scientific | Super-Nuova+ | Stirring and Heating Equipment |
| LCR meter | Keysight | E4980AL | Capacitance Measurment Equipment |
| Microscope | SDPTOP | ||
| Multimeter | Fluke | Resistance measurment Equipment | |
| Oven | Yamoto | DX412C | Heating equipment |
| Photo mask | Shenzhen Weina Electronic Technology | ||
| Photoresist | Microchem | SU-8 3050 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | Silicone Elastomer |
| Silicone foam | Smooth on | Soma Foama 25 | Two-component Platinum Silicone Flexible Foam |
| Silicone wafer | Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology | Diameter:2 inches | |
| Stirrer | IKA | Color Squid | Stirring Equipment |
| Toluene | Sinopharm Chemical Reagent | Solvent for the Preparation of ECPCs | |
| Triethoxysilane | Macklin |
References
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