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の高集積ソフトエレクトロニクスを実現するために不可欠な特性です。そのため、最近、上記特性を有する軟質電極を開発するための様々な戦略が提案されている、例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スプレー印刷、転写印刷などがある。9.インクジェット印刷法6は、製造が簡単で、マスキングが不要で、材料廃棄物が少ないという利点から広く使用されていますが、インク粘度の点で制限があるため、高解像度のパターニングを実現することは困難です。スクリーン印刷10およびスプレー印刷11は、基板上にシャドーマスクを必要とする簡便で費用対効果の高いパターニング方法である。ただし、マスクを配置または除去する操作は、パターニングの鮮明さを低下させる可能性があります。転写印刷4は、高解像度印刷を実現するための有望な方法であると報告されているが、この方法は、複雑な手順と時間のかかる印刷プロセスに悩まされている。さらに、これらのパターニング方法によって製造されたソフト電極のほとんどは、基板からの層間剥離などの他の欠点を有する。
ここでは、マイクロ流体チャネル構成に基づいて、費用対効果が高く高解像度のソフト電極を迅速に作製するための新しい印刷方法を紹介します。他の従来の製造方法と比較して、提案された戦略は、導電性材料として弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)を利用し、リソグラフィーエンボス加工されたマイクロ流体チャネルを使用して電極トレースをパターン化します。ECPCスラリーは溶媒蒸発法によって調製され、ポリジメチルシロキサン(PDMS)マトリックスに十分に分散した7重量%カーボンナノチューブ(CNT)からなる。ECPCスラリーをマイクロ流体チャネルに掻き取ることにより、リソグラフィーパターニングによって定義される高解像度の電極を製造できます。また、電極は主にPDMSをベースにしているため、ECPCベースの電極とPDMS基板との界面に強固な接合が生まれます。したがって、電極は、PDMS基板と同じ高さのストレッチレベルを維持することができる。実験結果から、提案する伸縮電極は軸方向ひずみに対して最大30%の直線応答が可能で、0-400kPaの高圧域で優れた安定性を示すことが確認され、静電容量式圧力センサにおける軟電極作製に大きな可能性を秘めていることが示され、本研究でも実証されている。
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Protocol
1. ECPCスラリーの合成
- 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。 - 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。 - 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。 - 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
- 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を備えたSU-8ベースのモールドを準備します。
注意: モールドのリソグラフィプロセスは、使用するフォトレジストのデータシートで提案されている標準的な方法に従います。金型の厚さは約100μmですが、すべてのトレース構造に50μm、100μm、200μmの3つの異なる線幅が使用されます。 - SU-8モールドを(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン溶液に浸漬することにより、SU-8モールドにシラン化処理を行う。
注意: この手順により、PDMSの剥離が容易になります。 - PDMSベース溶液と硬化剤を重量比10:1で混合し、すべての気泡が消えるまで未硬化のPDMS混合物を真空デシケーターに入れます。
- ステップ2.1で作製したモールドに脱気した混合物を注ぎ、未硬化PDMS溶液を入れたモールドを85°Cのホットプレートに1時間置き、PDMSを完全に硬化させ、モールドのパターンを硬化PDMSフィルムに転写します。ブレードを使用してPDMS層をはがします。
- ステップ1で準備した少量のECPCをPDMS表面にキャストします。かみそりの刃の助けを借りて、エンボス加工されたマイクロ流体チャネルに沿ってECPCスラリーを慎重にこすります。
注:このスクレイプコーティングプロセス中に、高粘度のECPCスラリーがマイクロチャネルパターンに効果的にトラップされ、PDMS表面に残った残留物をブレードで同時に除去できます。ECPCスラリーをマイクロチャネルにこすり落とすのが難しい場合は、サンプルを加熱して粘度を上げることをお勧めします。この塗布工程は、マイクロ流路が充填され、連続した導電性電極が形成されるまで複数回繰り返してもよい。 - サンプルを70°Cで2時間加熱します。
- 最後の工程で作製した電極の両端に導電性銀ペーストを用いて銅線を接続します。接続スポットはさらに密閉され、接着ゴムシーラントによって保護されています。
注:この段階で、 図2に示すように、ECPCベースの伸縮性電極の製造が完了しています。
3. 静電容量式圧力センサの作製
- 提案手法を用いて、ジジット効果設計で軟質電極を作製する(ステップ2.1-2.7)。
注:インターディジットフリンジ効果設計の電極間ギャップと線幅は同じになるように設定され、200μmと300μmの2つの構成が製造されます。電極を硬化させる可能性のある加熱手順(ステップ2.6)の前に、スコッチテープがPDMS表面に残っている過剰な未硬化ECPCスラリーに選択的に付着し、マイクロチャネルに充填されたECPCを保持できるため、挿入構造の2つの電極トレース間の潜在的な短絡を回避するために、電極表面を粘着テープで洗浄することをお勧めします。 - 3Dプリントされた金型を準備します。
注意: 金型は、液体シリコーンを注ぐことができる開口部を備えたキャビティ(幅3 cm、長さ4 cm、高さ10 mm)を持つように設計されています。 - プラチナシリコーン軟質フォームの2つの成分を、パートA:パートBの重量比が1:1および6:1で十分に混合し、2つの細孔サイズの軟質シリコーンフォームの誘電体層を準備します。素早くかき混ぜる。
注意: 気孔率は、パートAとパートBの混合比を調整することで制御できます。 - 最後のステップの混合物をステップ3.2で作成した型に注ぎます。
- 金型開口部を覆うためにいくつかの穴のあるボードを使用してください。
- 混合物を室温で1時間硬化させる。
注意: シリコーンフォームは硬化後に元の体積の2〜3倍に膨張するため、フォームは穴から成長し、キャビティ内のフォームの厚さは金型キャビティの高さに等しくなります。 - 穴から来る余分なシリコンフォームを切り取り、ボードを取り外します。
- 準備した誘電体フォームを、挟まれた軟質電極層の上に置き、圧力センサーの製造を完了します。
注意: 硬化したシリコーンフォームの厚さは10mmです。
4. 電極のひずみ特性評価
- ステップ2で作製した電極を、改造されたステッピングモーターの移動ステージの間に挟み込みます。
- 移動ステージを制御して電極に一軸ひずみを加え、電極を伸ばします。
注:適用される伸縮性は、移動ステージの変位から計算できます。 - マルチメータを使用して抵抗測定値を記録します。
5. 電極の圧力特性評価
- インターディジット電極と同等の設計でジグザグ電極を作製します(ステップ2.1〜2.7)。
注意: インターディジット電極の櫛型電極には複数の指があることを考慮して、ジグザグ電極は、インターディジット電極の電気的特性を評価するために、単一の導電経路に指を組み立てるように設計されています。テストされた電極には、幅300μmの6本の指が含まれ、指の間隔は2mmです。 - 3Dプリントされたローディングロッド(直径2.5cm)、標準圧力センサー、ステッピングモーターの移動ステージを接続して、圧力ローディングプラットフォームを組み立てます。
- 作製した電極を3Dプリントされたローディングロッドの下に置きます。
- 移動ステージを制御して電極に圧力をかけ、プログラムされた距離だけ電極に向かって垂直に移動するローディングロッドを駆動します。
注:圧力は移動ステージの変位を設定することで制御でき、標準圧力は標準力センサーからの力測定によって計算されます。 - マルチメータを使用して抵抗測定値を記録します。
6. 静電容量式圧力センサの圧力特性評価
- 手順5と同じプラットフォームを使用して、手順3で作成した静電容量式圧力センサーに圧力を加えます。
- LCRメーターを使用して、静電容量測定値を記録します。
注:静電容量は1kHzのテスト周波数で測定されます。
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Representative 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%の試験範囲内で長手方向の引張ひずみとともに直線的に増加したことにも注目されました。結果は、抵抗の変化が純粋に幾何学的効果に起因する可能性があることを示しています。ストレインリリース効果により、同じ線幅では、サーペンタイン電極(Sp)の感度はライン構造電極(Sl)の感度よりも低かった。さらに、図4に示すように、提案した作製法に基づいて、より複雑な桁間電極(IDE)の設計を高い空間分解能で開発することに成功しました。IDEの電気的安定性をテストするために、同等の構造のジグザグ電極(ZZE)設計も製造されました。測定された抵抗は、電極に構造的損傷がないため、0〜415kPaの圧力範囲内で0.71%の変動を示し、IDEが圧力検出に適していることを示しています。
図5Aに示すように、本研究では、誘電体シリコーンフォームとIDE層を組み合わせて軟圧センサを開発した。発泡体に外圧を加えると、風量分率の減少により誘電率が増加し(図5B)、センサの静電容量が増加しました。図5Cに示すように、静電容量センシング性能に対するIDEの線幅と風量分率の影響を調査しました。線幅200μmのデバイスは、フリンジ電界効果が強いため、感度が高いことがわかりました。パートA:パートBの重量比が6:1の高いフォームは、空気の割合が低いフォームよりも感度が高かった。この結果は、重量比が1:1のフォームははるかに多くの空気を持っていたので、誘電率に対する変形の影響が低く、それがより低い感度をもたらしたという事実によって説明することができる12。さらに、センサーの再現性を図5Dに示します。、ここでの周期的なテストは、作製されたソフト静電容量センサーが1,000の周期的な圧力負荷を通して高い再現性を維持することを確認しました。これは、独立気泡フォームは粘弾性挙動がほとんどないため、繰返し荷重下でフォームが永久変形を示さないためです。
図1:ECPCs導電性スラリーの作製プロセス 。 (a)CNT/トルエン懸濁液の調製。(B)PDMS/トルエン溶液の調製。(C)CNT/PDMS/トルエン懸濁液の調製。(d)過剰のトルエン溶媒の蒸発。(e)ECPCsスラリーの調製。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:マイクロ流体チャネルベースの軟質電極の作製プロセス 。 (A)リソグラフィで定義されたSU-8モールド。(B)SU-8モールドパターンの開発。(C)PDMSパターニング。(D)ECPCスラリーのスクレイプコーティング。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:伸縮性電極の作製と抵抗。 (A)ストリップと(スケールバー、5 mm)(B)異なるパターニング解像度(スケールバー、5 mm)の曲がりくねったデザインの形の電極の写真。(C)作製した電極の線幅がそれぞれ50 μm、100 μm、200 μmの光学顕微鏡像。(エ)さまざまな線幅を持つさまざまな電極の抵抗。(E)最大30%の引張ひずみの下での異なる電極の抵抗の変化。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:テストされた電極の抵抗の安定性。 IDE等価設計の軟質電極の抵抗は、0〜400kPaの通常の圧縮圧力範囲では変化しなかった。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:提案された軟圧センサーの特性評価 。 (A)IDEとシリコーン誘電体フォーム(スケールバー、5 mm)をベースにした提案されたソフト静電容量式圧力センサーの写真。(B)提案された圧力センサーの動作原理。(C)IDE線幅と誘電体フォームの気孔率が異なる圧力センサーの静電容量の変化。(D)圧力センサの1,000サイクルの周期試験。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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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。
提案手法は高導電性電極の作製には適していない.したがって、CNTドープPDMSの強化された電気ネットワークは、引き伸ばされたときに電極の導電性を維持するためにさらに調査する必要があります。
提案するマイクロ流体チャネル系軟質電極は、インクジェット印刷6、スクリーン印刷10、スプレー印刷11、転写印刷4などの既存の作製方法で作製した電極と比較して、基板との強固な接合により、印刷解像度が高く、伸縮性が高いという利点がある。
本研究で提示されたプロトコルは、伸縮性材料とマイクロ流体チャネルのメリットを組み合わせ、ソフトロボット触覚センシングアプリケーション用の高解像度伸縮性電極を製造するための低コストかつ迅速な製造方法を可能にします。
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Disclosures
著者は開示するものは何もありません。
Acknowledgments
この研究は、助成金62273304の下で中国国立自然科学財団によって支援されました。
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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