Summary
लचीले इलेक्ट्रोड में नरम रोबोटिक्स और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। वर्तमान प्रोटोकॉल लिथोग्राफिक रूप से परिभाषित माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के माध्यम से उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ अत्यधिक खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक नई रणनीति प्रदर्शित करता है, जो भविष्य के उच्च प्रदर्शन वाले सॉफ्ट प्रेशर सेंसर के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।
Abstract
लचीले और खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड नरम कृत्रिम संवेदी प्रणालियों में आवश्यक घटक हैं। लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स में हालिया प्रगति के बावजूद, अधिकांश इलेक्ट्रोड या तो पैटर्निंग रिज़ॉल्यूशन या उच्च चिपचिपाहट सुपर-लोचदार सामग्री के साथ इंकजेट प्रिंटिंग की क्षमता से प्रतिबंधित हैं। इस पेपर में, हम माइक्रोचैनल-आधारित स्ट्रेचेबल कम्पोजिट इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक सरल रणनीति प्रस्तुत करते हैं, जिसे लोचदार प्रवाहकीय बहुलक कंपोजिट (ईसीपीसी) को लिथोग्राफिक रूप से उभरे माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में स्क्रैप करके प्राप्त किया जा सकता है। ईसीपीसी को एक वाष्पशील विलायक वाष्पीकरण विधि द्वारा तैयार किया गया था, जो पॉलीडिमेथिलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) मैट्रिक्स में कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) का एक समान फैलाव प्राप्त करता है। पारंपरिक निर्माण विधियों की तुलना में, प्रस्तावित तकनीक उच्च चिपचिपाहट घोल के साथ अच्छी तरह से परिभाषित स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के तेजी से निर्माण की सुविधा प्रदान कर सकती है। चूंकि इस काम में इलेक्ट्रोड ऑल-इलास्टोमेरिक सामग्री से बने थे, इसलिए माइक्रोचैनल दीवारों के इंटरफेस पर ईसीपीसी-आधारित इलेक्ट्रोड और पीडीएमएस-आधारित सब्सट्रेट के बीच मजबूत इंटरलिंक बनाए जा सकते हैं, जो इलेक्ट्रोड को उच्च तन्यता उपभेदों के तहत यांत्रिक मजबूती प्रदर्शित करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोड की यांत्रिक-विद्युत प्रतिक्रिया का भी व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया गया था। अंत में, एक नरम दबाव सेंसर को एक ढांकता हुआ सिलिकॉन फोम और एक इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड (आईडीई) परत के संयोजन से विकसित किया गया था, और इसने नरम रोबोट स्पर्श संवेदन अनुप्रयोगों में दबाव सेंसर के लिए बड़ी क्षमता का प्रदर्शन किया।
Introduction
सॉफ्ट प्रेशर सेंसर को वायवीय रोबोटिकग्रिपर्स 1, पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स2, मानव-मशीन इंटरफ़ेस सिस्टम3, आदि जैसे अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से खोजा गया है। ऐसे अनुप्रयोगों में, संवेदी प्रणाली को मनमाने ढंग से सुडौल सतहों के साथ अनुरूप संपर्क सुनिश्चित करने के लिए लचीलेपन और खिंचाव की आवश्यकता होती है। इसलिए, इसे चरम विरूपण स्थितियों के तहत सुसंगत कार्यक्षमता प्रदान करने के लिए सब्सट्रेट, ट्रांसड्यूसिंग तत्व और इलेक्ट्रोड सहित सभी आवश्यकघटकों की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, उच्च संवेदन प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए, विद्युत संवेदन संकेतों में हस्तक्षेप से बचने के लिए नरम इलेक्ट्रोड में परिवर्तन को न्यूनतम स्तरतक रखना आवश्यक है।
नरम दबाव सेंसर में मुख्य घटकों में से एक के रूप में, उच्च तनाव और तनाव के स्तर को बनाए रखने में सक्षम स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड डिवाइस के लिए स्थिर प्रवाहकीय मार्गों और प्रतिबाधा विशेषताओंको संरक्षित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। उत्कृष्ट प्रदर्शन वाले नरम इलेक्ट्रोड में आमतौर पर 1) माइक्रोमीटर स्केल पर उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और 2) सब्सट्रेट के साथ मजबूत संबंध के साथ उच्च खिंचाव होता है, और ये पहनने योग्य आकारमें अत्यधिक एकीकृत नरम इलेक्ट्रॉनिक्स को सक्षम करने के लिए अपरिहार्य विशेषताएं हैं। इसलिए, उपरोक्त गुणों के साथ नरम इलेक्ट्रोड विकसित करने के लिए हाल ही में विभिन्न रणनीतियों का प्रस्ताव किया गया है, जैसे कि स्याही-जेट प्रिंटिंग, स्क्रीन प्रिंटिंग, स्प्रे प्रिंटिंग, और ट्रांसफर प्रिंटिंग, आदि। 9. स्याही-जेट प्रिंटिंग विधि6 का व्यापक रूप से सरल निर्माण, कोई मास्किंग आवश्यकता नहीं, और सामग्री अपशिष्ट की कम मात्रा के फायदे के कारण उपयोग किया गया है, लेकिन स्याही चिपचिपाहट के संदर्भ में सीमाओं के कारण उच्च-रिज़ॉल्यूशन पैटर्निंग प्राप्त करना कठिन है। स्क्रीन प्रिंटिंग10 और स्प्रे प्रिंटिंग11 सरल और लागत प्रभावी पैटर्निंग विधियां हैं जिनके लिए सब्सट्रेट पर छाया मास्क की आवश्यकता होती है। हालांकि, मास्क रखने या हटाने का संचालन पैटर्निंग की स्पष्टता को कम कर सकता है। यद्यपि ट्रांसफर प्रिंटिंग4 को उच्च-रिज़ॉल्यूशन प्रिंटिंग प्राप्त करने का एक आशाजनक तरीका बताया गया है, यह विधि एक जटिल प्रक्रिया और समय लेने वाली मुद्रण प्रक्रिया से ग्रस्त है। इसके अलावा, इन पैटर्निंग विधियों द्वारा उत्पादित अधिकांश नरम इलेक्ट्रोड के अन्य नुकसान हैं, जैसे कि सब्सट्रेट से डिलेमिनेशन।
यहां, हम माइक्रोफ्लुइडिक चैनल कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर लागत प्रभावी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन सॉफ्ट इलेक्ट्रोड के तेजी से निर्माण के लिए एक नई मुद्रण विधि प्रस्तुत करते हैं। अन्य पारंपरिक निर्माण विधियों की तुलना में, प्रस्तावित रणनीति इलेक्ट्रोड निशान को पैटर्न करने के लिए प्रवाहकीय सामग्री और लिथोग्राफिक रूप से उभरे माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के रूप में लोचदार प्रवाहकीय बहुलक कंपोजिट (ईसीपीसी) का उपयोग करती है। ईसीपीसी स्लरी विलायक वाष्पीकरण विधि द्वारा तैयार की जाती है और इसमें 7 डब्ल्यूटी.% कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) होते हैं जो पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) मैट्रिक्स में अच्छी तरह से फैले होते हैं। माइक्रोफ्लुइडिक चैनल में ईसीपीसी स्लरी को स्क्रैप करके, लिथोग्राफिक पैटर्निंग द्वारा परिभाषित उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रोड का उत्पादन किया जा सकता है। इसके अलावा, चूंकि इलेक्ट्रोड मुख्य रूप से पीडीएमएस पर आधारित है, इसलिए ईसीपीसी-आधारित इलेक्ट्रोड और पीडीएमएस सब्सट्रेट के बीच इंटरफ़ेस पर मजबूत संबंध बनाया जाता है। इस प्रकार, इलेक्ट्रोड पीडीएमएस सब्सट्रेट के रूप में उच्च खिंचाव स्तर को बनाए रख सकता है। प्रयोगात्मक परिणाम पुष्टि करते हैं कि प्रस्तावित स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड 30% तक अक्षीय उपभेदों के लिए रैखिक रूप से प्रतिक्रिया दे सकता है और 0-400 केपीए की उच्च दबाव सीमा में उत्कृष्ट स्थिरता प्रदर्शित कर सकता है, जो कैपेसिटिव दबाव सेंसर में नरम इलेक्ट्रोड बनाने के लिए इस विधि की महान क्षमता को दर्शाता है, जो इस काम में भी प्रदर्शित किया गया है।
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Protocol
1. ईसीपीसी घोल का संश्लेषण
- सीएनटी को 1: 30 के वजन अनुपात पर टोल्यूनि विलायक में फैलाएं और 1: 1 के वजन अनुपात पर टोल्यूनि के साथ पीडीएमएस बेस को पतला करें।
नोट: पूरी प्रयोगात्मक प्रक्रिया, जिसे चित्रा 1 में दिखाया गया है, को एक अच्छी तरह से हवादार फ्यूम हुड में किया जाना चाहिए। - चुंबकीय रूप से सीएनटी / टोल्यूनि निलंबन और पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान को 1 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर हिलाएं।
नोट: यह चरण सीएनटी को निम्नलिखित चरण में पीडीएमएस मैट्रिक्स में अच्छी तरह से फैलाने की अनुमति देता है। - एक तरल सीएनटी / पीडीएमएस / टोल्यूनि मिश्रण बनाने के लिए सीएनटी / टोल्यूनि निलंबन और पीडीएमएस / टोल्यूनि घोल मिलाएं, और विलायक (टोल्यूनि) को वाष्पित करने के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर हॉटप्लेट पर चुंबकीय रूप से इस मिश्रण को हिलाएं।
नोट: विलायक का वाष्पीकरण समाधान चिपचिपाहट को बढ़ाता है, जिसे अगले चरण में मिश्रण प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाने के लिए ठीक से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। पूर्ण विलायक वाष्पीकरण के लिए आवश्यक समय 2 घंटे है। - 10: 1 के वजन अनुपात पर सीएनटी / पीडीएमएस / टोल्यूनि मिश्रण में पीडीएमएस इलाज एजेंट जोड़ें।
नोट: इस स्तर पर, ईसीपीसी घोल का संश्लेषण पूरा हो गया है।
2. माइक्रोफ्लुइडिक चैनल-आधारित स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड का निर्माण
- एसआई वेफर पर पारंपरिक लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग करके माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के विभिन्न पैटर्न के साथ एसयू -8-आधारित मोल्ड तैयार करें।
नोट: मोल्ड की लिथोग्राफी प्रक्रिया उपयोग किए गए फोटोरेसिस्ट की डेटा शीट में सुझाए गए मानक विधि का पालन करती है; मोल्डों की मोटाई लगभग 100 μm है, जबकि सभी ट्रेस संरचनाओं के लिए 50 μm, 100 μm और 200 μm की तीन अलग-अलग लाइन चौड़ाई का उपयोग किया जाता है। - मोल्ड को (3-एमिनोप्रोपिल) ट्राइएथोक्सीसिलेन समाधान में डुबोकर एसयू -8 मोल्ड पर एक सिलनाइजेशन प्रक्रिया करें।
नोट: यह कदम पीडीएमएस को छीलने की सुविधा प्रदान करता है। - पीडीएमएस बेस समाधान और इलाज एजेंट को 10: 1 के वजन अनुपात के साथ मिलाएं, और अनक्योर पीडीएमएस मिश्रण को वैक्यूम डेसिकेटर में रखें जब तक कि सभी हवा के बुलबुले गायब न हो जाएं।
- चरण 2.1 में बनाए गए मोल्ड पर डिगैस्ड मिश्रण डालें, और पीडीएमएस को पूरी तरह से ठीक करने के लिए 1 घंटे के लिए 85 डिग्री सेल्सियस पर हॉटप्लेट पर अनक्योर पीडीएमएस घोल के साथ मोल्ड रखें और मोल्ड के पैटर्न को ठीक पीडीएमएस फिल्म पर स्थानांतरित करें। ब्लेड की मदद से पीडीएमएस परत को छील लें।
- चरण 1 में तैयार ईसीपीसी की एक छोटी मात्रा को पीडीएमएस सतह पर डालें। रेजर ब्लेड की मदद से उभरे हुए माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के साथ ईसीपीसी स्लरी को सावधानीपूर्वक खुरचें।
नोट: इस स्क्रैप-कोटिंग प्रक्रिया के दौरान, अत्यधिक चिपचिपा ईसीपीसी घोल प्रभावी रूप से माइक्रोचैनल पैटर्न में फंस जाता है, और पीडीएमएस सतह पर छोड़े गए अवशेषों को ब्लेड द्वारा एक साथ हटाया जा सकता है। यदि ईसीपीसी स्लरी को माइक्रोचैनल में स्क्रैप करना कठिन है, तो इसकी चिपचिपाहट बढ़ाने के लिए नमूने को गर्म करने की सिफारिश की जाती है। इस कोटिंग चरण को कई बार दोहराया जा सकता है जब तक कि माइक्रोचैनल भर न जाए और निरंतर संचालन इलेक्ट्रोड न बन जाएं। - नमूने को 2 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करें।
- प्रवाहकीय चांदी पेस्ट का उपयोग करके अंतिम चरण में निर्मित इलेक्ट्रोड के दो सिरों पर तांबे के तारों को कनेक्ट करें। कनेक्शन स्पॉट को चिपकने वाला रबर सीलेंट द्वारा और सील और संरक्षित किया जाता है।
नोट: इस स्तर पर, ईसीपीसी-आधारित स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड का निर्माण पूरा हो गया है, जैसा कि चित्रा 2 में दिखाया गया है।
3. कैपेसिटिव दबाव सेंसर का निर्माण
- प्रस्तावित विधि (चरण 2.1-2.7) का उपयोग करके एक इंटरडिजिटेटेड फ्रिंज प्रभाव डिजाइन के साथ नरम इलेक्ट्रोड का निर्माण करें।
नोट: इंटरडिजिटेटेड फ्रिंज इफेक्ट डिज़ाइन की इंटरइलेक्ट्रोड गैप और लाइन चौड़ाई समान होने के लिए सेट हैं, और दो कॉन्फ़िगरेशन गढ़े गए हैं: 200 μm और 300 μm। हीटिंग प्रक्रिया (चरण 2.6) से पहले, जो इलेक्ट्रोड को ठीक कर सकता है, इलेक्ट्रोड सतह को चिपकने वाले टेप से साफ करने की सिफारिश की जाती है ताकि इंटरडिजिटेटेड संरचना में दो इलेक्ट्रोड निशान के बीच संभावित शॉर्ट-सर्किट से बचा जा सके, क्योंकि स्कॉच टेप चुनिंदा रूप से पीडीएमएस सतह पर शेष अत्यधिक अनक्योर किए गए ईसीपीसी घोल से चिपक सकता है, और माइक्रोचैनल में भरे ईसीपीसी को बरकरार रखा जा सकता है। - एक 3 डी मुद्रित मोल्ड तैयार करें।
नोट: मोल्ड को एक गुहा (3 सेमी चौड़ा, 4 सेमी लंबा, और 10 मिमी की ऊंचाई के साथ) के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें एक उद्घाटन के साथ तरल सिलिकॉन डाला जा सकता है। - प्लेटिनम सिलिकॉन लचीले फोम के दो घटकों को दो छिद्र आकारों के साथ नरम सिलिकॉन फोम की ढांकता हुआ परतें तैयार करने के लिए भाग ए: 1: 1 और 6: 1 के भाग बी के लिए वजन अनुपात के साथ अच्छी तरह से मिलाएं। जल्दी से हिलाएं।
नोट: भाग ए और भाग बी के मिश्रण अनुपात को समायोजित करके सरंध्रता को नियंत्रित किया जा सकता है। - चरण 3.2 में बनाए गए सांचे में अंतिम चरण से मिश्रण डालें।
- मोल्ड खोलने को कवर करने के लिए कई छेद वाले बोर्ड का उपयोग करें।
- मिश्रण को 1 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर ठीक करें।
नोट: चूंकि सिलिकॉन फोम इलाज के बाद अपनी मूल मात्रा से दो से तीन गुना तक फैलता है, फोम छेद से बाहर निकल जाएगा, जिसका अर्थ है कि गुहा में फोम की मोटाई मोल्ड गुहा की ऊंचाई के बराबर होगी। - छेद के माध्यम से आने वाले अतिरिक्त सिलिकॉन फोम को काटें और बोर्ड को हटा दें।
- दबाव सेंसर निर्माण को अंतिम रूप देने के लिए तैयार ढांकता हुआ फोम को इंटरडिजिटेटेड सॉफ्ट इलेक्ट्रोड परत के शीर्ष पर रखें।
नोट: ठीक किए गए सिलिकॉन फोम की मोटाई 10 मिमी है।
4. इलेक्ट्रोड के लिए तनाव लक्षण वर्णन
- एक संशोधित स्टेपर मोटर के चलती चरणों के बीच चरण 2 में निर्मित इलेक्ट्रोड को क्लैंप करें।
- इलेक्ट्रोड को फैलाने के लिए चलती अवस्था को नियंत्रित करके इलेक्ट्रोड पर एकअक्षीय तनाव लागू करें।
नोट: लागू खिंचाव की गणना चलती अवस्था के विस्थापन से की जा सकती है। - प्रतिरोध माप रिकॉर्ड करने के लिए एक मल्टीमीटर का उपयोग करें।
5. इलेक्ट्रोड के लिए दबाव लक्षण वर्णन
- इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड (चरण 2.1-2.7) के बराबर डिजाइन के साथ एक जिग-जैग इलेक्ट्रोड बनाएं।
नोट: यह देखते हुए कि इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड के कंघी इलेक्ट्रोड में कई उंगलियां होती हैं, जिग-जैग इलेक्ट्रोड को इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड के विद्युत गुणों का मूल्यांकन करने के लिए एकल संचालन मार्ग में उंगलियों को इकट्ठा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। परीक्षण किए गए इलेक्ट्रोड में 300 μm की चौड़ाई के साथ छह उंगलियां शामिल हैं, और उंगलियों के बीच का अंतर 2 मिमी है। - 3 डी-मुद्रित लोडिंग रॉड (व्यास में 2.5 सेमी), एक मानक दबाव सेंसर और स्टेपर मोटर के चलती अवस्था को जोड़कर दबाव लोडिंग प्लेटफॉर्म को इकट्ठा करें।
- 3 डी-मुद्रित लोडिंग रॉड के नीचे निर्मित इलेक्ट्रोड रखें।
- एक क्रमादेशित दूरी द्वारा इलेक्ट्रोड की ओर लंबवत रूप से चलने वाले लोडिंग रॉड को चलाने के लिए चलती अवस्था को नियंत्रित करके इलेक्ट्रोड पर दबाव लागू करें।
नोट: दबाव को चलती अवस्था के विस्थापन को सेट करके नियंत्रित किया जा सकता है, और मानक दबाव की गणना मानक बल सेंसर से बल माप द्वारा की जाती है। - प्रतिरोध माप रिकॉर्ड करने के लिए एक मल्टीमीटर का उपयोग करें।
6. कैपेसिटिव दबाव सेंसर के लिए दबाव लक्षण वर्णन
- चरण 3 में निर्मित कैपेसिटिव दबाव सेंसर पर दबाव लागू करने के लिए चरण 5 के समान मंच का उपयोग करें।
- धारिता माप रिकॉर्ड करने के लिए एक एलसीआर मीटर का उपयोग करें।
नोट: धारिता 1 kHz की परीक्षण आवृत्ति पर मापा जाता है।
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Representative Results
प्रोटोकॉल का पालन करते हुए, ईसीपीसी को माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के माध्यम से पैटर्न किया जा सकता है, जो उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के गठन की ओर जाता है। आंकड़े 3 ए, बी विभिन्न ट्रेस डिज़ाइन और प्रिंटिंग रिज़ॉल्यूशन के साथ नरम इलेक्ट्रोड की तस्वीरें दिखाते हैं। चित्रा 3 सी निर्मित इलेक्ट्रोड की विभिन्न लाइन चौड़ाई को दर्शाता है, जिसमें 50 μm, 100 μm और 200 μm शामिल हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रोड का प्रतिरोध चित्रा 3 डी में प्रस्तुत किया गया है, जो दिखाता है कि ओम के नियम के आधार पर अपेक्षित लाइन चौड़ाई कम होने के साथ प्रतिरोध बढ़ गया है। सर्पेंटाइन इलेक्ट्रोड की लंबी प्रभावी लंबाई के कारण एक लाइन संरचना के साथ समान चौड़ाई के इलेक्ट्रोड की तुलना में सर्पेंटाइन इलेक्ट्रोड ने भी अधिक प्रतिरोध दिखाया। नरम इलेक्ट्रोड की खिंचावक्षीयता को चित्रा 3 ई में भी प्रदर्शित किया गया है, जो दिखाता है कि ईसीपीसी और माइक्रोचैनल दीवार के बीच मजबूत इंटरफेस ने इलेक्ट्रोड को पीडीएमएस सब्सट्रेट के समान महान खिंचाव का प्रदर्शन करने में सक्षम बनाया। यह भी ध्यान दिया गया कि लाइन और सर्पेंटाइन इलेक्ट्रोड दोनों का प्रतिरोध 0% -30% की परीक्षण सीमा के भीतर अनुदैर्ध्य दिशा में तन्यता तनाव के साथ रैखिक रूप से बढ़ गया। परिणाम बताते हैं कि प्रतिरोध में परिवर्तन को विशुद्ध रूप से ज्यामितीय प्रभाव के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। तनाव-रिलीजिंग प्रभाव के कारण, सर्पेंटाइन इलेक्ट्रोड (एसपी) की संवेदनशीलता उसी लाइन चौड़ाई के लिए लाइन संरचना इलेक्ट्रोड (एसएल) की तुलना में कम थी। इसके अलावा, इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड (आईडीई) का एक अधिक जटिल डिजाइन प्रस्तावित निर्माण विधि के आधार पर एक उच्च स्थानिक संकल्प के साथ सफलतापूर्वक विकसित किया गया था, जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है। आईडीई की विद्युत स्थिरता का परीक्षण करने के लिए एक समकक्ष संरचना के साथ एक जिग-जैग इलेक्ट्रोड (जेडजेडई) डिजाइन भी बनाया गया था। मापा प्रतिरोध ने 0-415 केपीए की दबाव सीमा के भीतर 0.71% की भिन्नता दिखाई क्योंकि इलेक्ट्रोड में कोई संरचनात्मक क्षति नहीं थी, जो इंगित करता है कि आईडीई दबाव संवेदन के लिए उपयुक्त है।
जैसा कि चित्रा 5 ए में दिखाया गया है, इस अध्ययन में, एक ढांकता हुआ सिलिकॉन फोम और आईडीई परत के संयोजन से एक नरम दबाव सेंसर विकसित किया गया था। जब फोम पर बाहरी दबाव लागू किया गया था, तो हवा की मात्रा अंश (चित्रा 5 बी) में कमी के कारण ढांकता हुआ स्थिरांक बढ़ गया, जिसके कारण सेंसर धारिता में वृद्धि हुई। कैपेसिटिव सेंसिंग प्रदर्शन पर आईडीई लाइन चौड़ाई और हवा की मात्रा अंशों के प्रभाव की जांच की गई, जैसा कि चित्रा 5 सी में दिखाया गया है। यह पाया गया कि मजबूत फ्रिंज फील्ड प्रभाव के कारण 200 μm लाइन चौड़ाई वाले डिवाइस में उच्च संवेदनशीलता थी। 6: 1 के उच्च भाग ए: भाग बी वजन अनुपात वाले फोम में कम हवा अंश वाले फोम की तुलना में अधिक संवेदनशीलता भी थी; इस परिणाम को इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि 1: 1 के वजन अनुपात वाले फोम में बहुत अधिक हवा थी, इसलिए ढांकता हुआ स्थिरांक पर विरूपण का प्रभाव कम था, जिसके कारण संवेदनशीलताकम हो गई 12। इसके अलावा, सेंसर की पुनरावृत्ति चित्रा 5 डी में प्रदर्शित की गई है; यहां चक्रीय परीक्षण से पता चला कि निर्मित सॉफ्ट कैपेसिटिव सेंसर ने 1,000 चक्रीय दबाव लोडिंग के माध्यम से उच्च पुनरावृत्ति बनाए रखी। ऐसा इसलिए है क्योंकि बंद-सेल फोम में बहुत कम विस्कोस्टिक व्यवहार होता है, इसलिए फोम चक्रीय लोडिंग के तहत स्थायी विरूपण प्रदर्शित नहीं करता है।
चित्र 1: ईसीपीसी प्रवाहकीय घोल की निर्माण प्रक्रिया। (ए) सीएनटी / टोल्यूनि निलंबन की तैयारी। (बी) पीडीएमएस / टोल्यूनि समाधान की तैयारी। (ग) सीएनटी/पीडीएमएस/टोल्यूनि निलंबन की तैयारी। (डी) अतिरिक्त टोल्यूनि विलायक का वाष्पीकरण। (ङ) ईसीपीसी घोल तैयार करना। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 2: माइक्रोफ्लुइडिक चैनल-आधारित नरम इलेक्ट्रोड की निर्माण प्रक्रिया। (ए) लिथोग्राफिक रूप से परिभाषित एसयू -8 मोल्ड। (बी) एसयू -8 मोल्ड पैटर्न का विकास। (सी) पीडीएमएस पैटर्निंग। (घ) ईसीपीसी स्लरी की स्क्रैप-कोटिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड का निर्माण और प्रतिरोध। (ए) एक पट्टी और (स्केल बार, 5 मिमी) (बी) के रूप में इलेक्ट्रोड की तस्वीरें विभिन्न पैटर्निंग रिज़ॉल्यूशन (स्केल बार, 5 मिमी) के साथ एक सर्पेंटाइन डिजाइन। (सी) निर्मित इलेक्ट्रोड की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि जिसमें क्रमशः 50 μm, 100 μm और 200 μm की लाइन चौड़ाई होती है। (घ) विभिन्न लाइन चौड़ाई के साथ विभिन्न इलेक्ट्रोड का प्रतिरोध। (ई) 30% तक के तन्यता तनाव के तहत विभिन्न इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध में परिवर्तन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4: परीक्षण किए गए इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध की स्थिरता। आईडीई-समकक्ष डिजाइन के साथ नरम इलेक्ट्रोड का प्रतिरोध 0-400 केपीए की सामान्य संपीड़ित दबाव सीमा में अपरिवर्तित रहा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 5: प्रस्तावित नरम दबाव सेंसर का लक्षण वर्णन। (ए) आईडीई और सिलिकॉन ढांकता हुआ फोम (स्केल बार, 5 मिमी) के आधार पर प्रस्तावित नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर की तस्वीर। (बी) प्रस्तावित दबाव सेंसर का कार्य सिद्धांत। (सी) विभिन्न आईडीई लाइन चौड़ाई और ढांकता हुआ फोम पोरसिटी के साथ दबाव सेंसर की धारिता में परिवर्तन। (डी) 1,000 चक्रों के लिए दबाव सेंसर का चक्रीय परीक्षण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
इस प्रोटोकॉल में, हमने स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के लिए एक नई माइक्रोफ्लुइडिक चैनल-आधारित प्रिंटिंग विधि का प्रदर्शन किया है। इलेक्ट्रोड की प्रवाहकीय सामग्री, ईसीपीसी स्लरी, विलायक वाष्पीकरण विधि द्वारा तैयार की जा सकती है, जो सीएनटी को पीडीएमएस मैट्रिक्स में अच्छी तरह से फैलाने की अनुमति देती है, इस प्रकार एक प्रवाहकीय बहुलक बनाती है जो पीडीएमएस सब्सट्रेट के रूप में उच्च खिंचाव प्रदर्शित करती है।
स्क्रैपिंग प्रक्रिया में, ईसीपीसी स्लरी को रेजर ब्लेड की मदद से पीडीएमएस माइक्रोफ्लुइडिक चैनल में तेजी से भर दिया जाता है। इसलिए, घोल की चिपचिपाहट स्क्रैपिंग ऑपरेशन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। ईसीपीसी स्लरी की कम चिपचिपाहट के परिणामस्वरूप आंशिक रूप से भरे हुए माइक्रोचैनल होंगे, जो ओपन-सर्किट स्थिति या काफी अधिक प्रतिरोध का कारण बन सकते हैं। दूसरी ओर, उच्च चिपचिपाहट पीडीएमएस सतह पर अत्यधिक घोल को शेष कर सकती है, जिससे उच्च-रिज़ॉल्यूशन आईडीई संरचनाओं में शॉर्ट-सर्किट उत्पन्न हो सकता है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि यद्यपि प्रवाहकीय सीएनटी केवल ईसीपीसी स्लरी में 7 डब्ल्यूटी.% के एक छोटे से अंश का प्रतिनिधित्व करते हैं, इलेक्ट्रोड के मेगाहोम-स्तरीय उच्च प्रतिरोध का नरम कैपेसिटिव दबाव सेंसर में सेंसिंग प्रदर्शन पर नगण्य प्रभाव पड़ता है।
प्रस्तावित विधि अत्यधिक प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड बनाने के लिए उपयुक्त नहीं है। इसलिए, सीएनटी-डोप्ड पीडीएमएस के एक बढ़े हुए विद्युत नेटवर्क को विस्तारित होने पर इलेक्ट्रोड की चालकता को बनाए रखने के लिए आगे की जांच करने की आवश्यकता है।
मौजूदा निर्माण विधियों द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रोड की तुलना में, जैसे कि इंकजेट प्रिंटिंग6, स्क्रीन प्रिंटिंग10, स्प्रे प्रिंटिंग11, और ट्रांसफर प्रिंटिंग4, प्रस्तावित माइक्रोफ्लुइडिक चैनल-आधारित सॉफ्ट इलेक्ट्रोड में सब्सट्रेट के मजबूत संबंध के साथ उच्च प्रिंटिंग रिज़ॉल्यूशन और उच्च स्ट्रेचेबिलिटी के फायदे हैं।
इस शोध में प्रस्तुत प्रोटोकॉल स्ट्रेचेबल सामग्री और माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के गुणों को जोड़ता है, जिससे नरम रोबोट स्पर्श संवेदन अनुप्रयोगों के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के उत्पादन के लिए कम लागत और तेजी से निर्माण विधि सक्षम होती है।
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Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
इस काम को अनुदान 62273304 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
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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