Summary
Los electrodos flexibles tienen una amplia gama de aplicaciones en robótica blanda y electrónica portátil. El protocolo actual demuestra una nueva estrategia para fabricar electrodos altamente estirables con alta resolución a través de canales microfluídicos definidos litográficamente, lo que allana el camino para futuros sensores de presión suave de alto rendimiento.
Abstract
Los electrodos flexibles y estirables son componentes esenciales en los sistemas sensoriales artificiales blandos. A pesar de los recientes avances en electrónica flexible, la mayoría de los electrodos están restringidos por la resolución del patrón o la capacidad de impresión de inyección de tinta con materiales superelásticos de alta viscosidad. En este documento, presentamos una estrategia simple para fabricar electrodos compuestos estirables basados en microcanales, que se pueden lograr raspando compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) en canales microfluídicos en relieve litográficamente. Los ECPC se prepararon mediante un método de evaporación de disolventes volátiles, que logra una dispersión uniforme de nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). En comparación con los métodos de fabricación convencionales, la técnica propuesta puede facilitar la fabricación rápida de electrodos estirables bien definidos con lodos de alta viscosidad. Dado que los electrodos en este trabajo estaban compuestos de materiales totalmente elastoméricos, se pueden formar fuertes interconexiones entre los electrodos basados en ECPC y el sustrato basado en PDMS en las interfaces de las paredes del microcanal, lo que permite que los electrodos exhiban robustez mecánica bajo altas tensiones de tracción. Además, también se estudió sistemáticamente la respuesta mecánico-eléctrica de los electrodos. Finalmente, se desarrolló un sensor de presión suave combinando una espuma de silicona dieléctrica y una capa de electrodos interdigitados (IDE), y esto demostró un gran potencial para los sensores de presión en aplicaciones de detección táctil robótica blanda.
Introduction
Los sensores de presión suave se han explorado ampliamente en aplicaciones como pinzas robóticas neumáticas1, electrónica portátil2, sistemas de interfaz hombre-máquina3, etc. En tales aplicaciones, el sistema sensorial requiere flexibilidad y capacidad de estiramiento para garantizar el contacto conforme con superficies curvilíneas arbitrarias. Por lo tanto, requiere que todos los componentes esenciales, incluidos el sustrato, el elemento transductor y el electrodo, proporcionen una funcionalidad consistente en condiciones extremas de deformación4. Además, para mantener un alto rendimiento de detección, es esencial mantener los cambios en los electrodos blandos al nivel mínimo para evitar interferencias en las señales de detección eléctrica5.
Como uno de los componentes centrales en los sensores de presión blanda, los electrodos estirables capaces de soportar altos niveles de tensión y deformación son cruciales para que el dispositivo preserve vías conductoras estables y características de impedancia 6,7. Los electrodos blandos con excelente rendimiento generalmente poseen 1) alta resolución espacial a escala micrométrica y 2) alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato, y estas son características indispensables para permitir una electrónica blanda altamente integrada en un tamaño portátil8. Por lo tanto, recientemente se han propuesto varias estrategias para desarrollar electrodos blandos con las propiedades anteriores, como la impresión por chorro de tinta, la serigrafía, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, etc. 9. El método de impresión de inyección de tinta6 ha sido ampliamente utilizado debido a sus ventajas de fabricación simple, sin requisitos de enmascaramiento y una baja cantidad de desperdicio de material, pero es difícil lograr patrones de alta resolución debido a las limitaciones en términos de viscosidad de la tinta. La serigrafía10 y la impresión por pulverización11 son métodos de modelado simples y rentables que requieren una máscara de sombra en el sustrato. Sin embargo, la operación de colocar o quitar la máscara puede reducir la claridad del patrón. Aunque se ha informado que la impresión por transferencia4 es una forma prometedora de lograr la impresión de alta resolución, este método sufre de un procedimiento complicado y un proceso de impresión que consume mucho tiempo. Además, la mayoría de los electrodos blandos producidos por estos métodos de patrón tienen otras desventajas, como la delaminación del sustrato.
Aquí, presentamos un novedoso método de impresión para la fabricación rápida de electrodos blandos rentables y de alta resolución basados en configuraciones de canales microfluídicos. En comparación con otros métodos de fabricación convencionales, la estrategia propuesta utiliza compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) como material conductor y canales microfluídicos en relieve litográficamente para modelar las trazas de electrodos. La suspensión ECPC se prepara por el método de evaporación con disolvente y consiste en un 7% en peso de nanotubos de carbono (CNT) bien dispersos en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Al raspar la suspensión de ECPC en el canal microfluídico, se pueden producir electrodos de alta resolución definidos por patrones litográficos. Además, dado que el electrodo se basa principalmente en PDMS, se crea una fuerte unión en la interfaz entre el electrodo basado en ECPC y el sustrato PDMS. Por lo tanto, el electrodo puede mantener un nivel de estiramiento tan alto como el sustrato PDMS. Los resultados experimentales confirman que el electrodo estirable propuesto puede responder linealmente a deformaciones axiales de hasta el 30% y exhibir una excelente estabilidad en un rango de alta presión de 0-400 kPa, lo que indica el gran potencial de este método para fabricar electrodos blandos en sensores de presión capacitivos, que también se demuestra en este trabajo.
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Protocol
1. Síntesis de los purines ECPCs
- Dispersar los CNT en un disolvente de tolueno en una relación de peso de 1:30 y diluir la base PDMS con tolueno en una relación de peso de 1:1.
NOTA: Todo el procedimiento experimental, que se muestra en la Figura 1, debe llevarse a cabo en una campana extractora bien ventilada. - Agitar magnéticamente la suspensión de CNTs/tolueno y la solución PDMS/tolueno a temperatura ambiente durante 1 h.
NOTA: Este paso permite que los CNT estén bien dispersos en la matriz PDMS en el siguiente paso. - Mezclar la suspensión de CNT/tolueno y la solución de PDMS/tolueno para formar una mezcla líquida de CNT/PDMS/tolueno, y agitar magnéticamente esta mezcla en una placa calefactora a 80 °C para evaporar el disolvente (tolueno).
NOTA: La evaporación del disolvente aumenta la viscosidad de la solución, que debe controlarse con precisión para facilitar el proceso de mezcla en el siguiente paso. El tiempo requerido para la evaporación completa del disolvente es de 2 h. - Añadir agente de curado PDMS a la mezcla de CNTs/PDMS/tolueno en una relación de peso de 10:1.
NOTA: En esta etapa, la síntesis de la suspensión ECPCs está completa.
2. Fabricación de los electrodos estirables basados en canales microfluídicos
- Prepare el molde basado en SU-8 con diferentes patrones de canales microfluídicos utilizando la técnica de litografía convencional en una oblea de Si.
NOTA: El proceso de litografía del molde sigue el método estándar sugerido en la ficha técnica del fotoprotector utilizado; El grosor de los moldes es de aproximadamente 100 μm, mientras que se utilizan tres anchos de línea diferentes de 50 μm, 100 μm y 200 μm para todas las estructuras de traza. - Realice un proceso de silanización en el molde SU-8 sumergiendo el molde en la solución de trietoxisilano (3-aminopropil).
NOTA: Este paso facilita el despegado del PDMS. - Mezcle la solución base de PDMS y el agente de curado con una relación de peso de 10:1, y coloque la mezcla de PDMS sin curar en un desecador al vacío hasta que desaparezcan todas las burbujas de aire.
- Verter la mezcla desgasificada sobre el molde fabricado en el paso 2.1 y colocar el molde con la solución PDMS sin curar en una placa calefactora a 85 °C durante 1 h para curar completamente el PDMS y transferir el patrón del molde a la película PDMS curada. Despegue la capa PDMS con la ayuda de una cuchilla.
- Coloque una pequeña cantidad de ECPC preparados en el paso 1 sobre la superficie del PDMS. Raspa cuidadosamente la suspensión ECPC a lo largo del canal microfluídico en relieve con la ayuda de una cuchilla de afeitar.
NOTA: Durante este proceso de recubrimiento por raspado, la suspensión ECPC altamente viscosa queda atrapada efectivamente en el patrón de microcanal, y los residuos que quedan en la superficie del PDMS pueden ser eliminados por la cuchilla simultáneamente. Si es difícil raspar la suspensión de ECPC en el microcanal, se recomienda calentar la muestra para aumentar su viscosidad. Este paso de recubrimiento puede repetirse varias veces hasta que se llene el microcanal y se formen electrodos conductores continuos. - Calentar la muestra a 70 °C durante 2 h.
- Conecte los cables de cobre a los dos extremos de los electrodos fabricados en el último paso utilizando pasta de plata conductora. El punto de conexión está sellado y protegido por el sellador adhesivo de goma.
NOTA: En esta etapa, la fabricación de los electrodos estirables basados en ECPC está completa, como se muestra en la Figura 2.
3. Fabricación del sensor de presión capacitivo
- Fabricar el electrodo blando con un diseño de efecto de franja interdigitado utilizando el método propuesto (pasos 2.1-2.7).
NOTA: El espacio entre electrodos y el ancho de línea del diseño del efecto de franja interdigitado se establecen para ser los mismos, y se fabrican dos configuraciones: 200 μm y 300 μm. Antes del procedimiento de calentamiento (paso 2.6), que puede curar el electrodo, se recomienda limpiar la superficie del electrodo con cinta adhesiva para evitar un posible cortocircuito entre las dos trazas de electrodos en la estructura interdigitada, ya que la cinta adhesiva puede adherirse selectivamente a la excesiva suspensión de ECPC sin curar que queda en la superficie del PDMS, y los ECPC rellenados en el microcanal pueden retenerse. - Prepara un molde impreso en 3D.
NOTA: El molde está diseñado para tener una cavidad (3 cm de ancho, 4 cm de largo y con una altura de 10 mm) con una abertura en la que se puede verter la silicona líquida. - Mezcle bien los dos componentes de la espuma flexible de silicona de platino con las proporciones de peso para la Parte A: Parte B de 1: 1 y 6: 1 para preparar capas dieléctricas de espumas de silicona suave con dos tamaños de poro. Revuelva rápidamente.
NOTA: La porosidad se puede controlar ajustando la relación de mezcla de la Parte A y la Parte B. - Verter la mezcla del último paso en el molde realizado en el paso 3.2.
- Use una tabla con varios agujeros para cubrir la abertura del molde.
- Curar la mezcla a temperatura ambiente durante 1 h.
NOTA: Dado que la espuma de silicona se expande a dos o tres veces su volumen original después del curado, la espuma crecerá fuera de los agujeros, lo que significa que el grosor de la espuma en la cavidad será igual a la altura de la cavidad del molde. - Corte el exceso de espuma de silicona que entra por los agujeros y retire la tabla.
- Coloque la espuma dieléctrica preparada sobre la capa de electrodo blando interdigitado para finalizar la fabricación del sensor de presión.
NOTA: El grosor de la espuma de silicona curada es de 10 mm.
4. Caracterización de la deformación del electrodo
- Sujete el electrodo fabricado en el paso 2 entre las etapas móviles de un motor paso a paso modificado.
- Aplique tensión uniaxial al electrodo controlando la etapa móvil para estirar el electrodo.
NOTA: La capacidad de estiramiento aplicada se puede calcular a partir del desplazamiento de la etapa móvil. - Utilice un multímetro para registrar la medición de resistencia.
5. Caracterización de la presión del electrodo
- Fabricar un electrodo en zig-zag con un diseño equivalente al electrodo interdigitado (pasos 2.1-2.7).
NOTA: Teniendo en cuenta que los electrodos de peine del electrodo interdigitado tienen varios dedos, el electrodo en zig-zag está diseñado para ensamblar los dedos en una sola vía conductora para evaluar las propiedades eléctricas del electrodo interdigitado. El electrodo probado incluye seis dedos con un ancho de 300 μm, y el espacio entre los dedos es de 2 mm. - Ensamble la plataforma de carga de presión conectando una varilla de carga impresa en 3D (2,5 cm de diámetro), un sensor de presión estándar y la etapa móvil de un motor paso a paso.
- Coloque el electrodo fabricado debajo de la barra de carga impresa en 3D.
- Aplique presión al electrodo controlando la etapa móvil para impulsar la barra de carga que se mueve verticalmente hacia el electrodo por una distancia programada.
NOTA: La presión se puede controlar ajustando el desplazamiento de la etapa móvil, y la presión estándar se calcula mediante la medición de fuerza del sensor de fuerza estándar. - Utilice un multímetro para registrar la medición de resistencia.
6. Caracterización de la presión para el sensor de presión capacitivo
- Utilice la misma plataforma que en el paso 5 para aplicar presión al sensor de presión capacitivo fabricado en el paso 3.
- Use un medidor LCR para registrar la medición de capacitancia.
NOTA: La capacitancia se mide a una frecuencia de prueba de 1 kHz.
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Representative Results
Siguiendo el protocolo, los ECPC se pueden modelar a través del canal microfluídico, lo que conduce a la formación de electrodos estirables con una alta resolución. Las figuras 3A, B muestran fotografías de electrodos blandos con diferentes diseños de trazas y resoluciones de impresión. La Figura 3C muestra los diferentes anchos de línea de los electrodos fabricados, incluidos 50 μm, 100 μm y 200 μm. La resistencia de cada electrodo se presenta en la Figura 3D, que muestra que la resistencia aumentó con la disminución de los anchos de línea, como se esperaba según la ley de Ohm. Los electrodos serpentinos también mostraron una mayor resistencia que los electrodos del mismo ancho con una estructura de línea debido a la mayor longitud efectiva de los electrodos serpentinos. La capacidad de estiramiento de los electrodos blandos también se demuestra en la Figura 3E, que muestra que las fuertes interfaces entre los ECPC y la pared del microcanal permitieron que el electrodo exhibiera una gran capacidad de estiramiento similar al sustrato PDMS. También se observó que la resistencia de los electrodos de línea y serpentina aumentó linealmente con la tensión de tracción en la dirección longitudinal dentro del rango de prueba de 0% -30%. Los resultados indican que el cambio en la resistencia puede atribuirse puramente al efecto geométrico. Debido al efecto de liberación de tensión, la sensibilidad del electrodo serpentino (S p) fue menor que la del electrodo de estructura de línea (Sl) para el mismo ancho de línea. Además, se desarrolló con éxito un diseño más complejo de los electrodos interdigitados (IDE) con una alta resolución espacial basada en el método de fabricación propuesto, como se muestra en la Figura 4. También se fabricó un diseño de electrodo en zig-zag (ZZE) con una estructura equivalente para probar la estabilidad eléctrica del IDE. La resistencia medida mostró una variación de 0.71% dentro del rango de presión de 0-415 kPa ya que no hubo daño estructural en el electrodo, lo que indica que el IDE es adecuado para la detección de presión.
Como se muestra en la Figura 5A, en este estudio, se desarrolló un sensor de presión suave combinando una espuma de silicona dieléctrica y la capa IDE. Cuando se aplicó presión externa a la espuma, la constante dieléctrica aumentó debido a la reducción en la fracción de volumen de aire (Figura 5B), lo que condujo a un aumento en la capacitancia del sensor. Se investigó la influencia de los anchos de línea IDE y las fracciones de volumen de aire en el rendimiento de detección capacitiva, como se muestra en la Figura 5C. Se encontró que el dispositivo con un ancho de línea de 200 μm tenía una mayor sensibilidad debido al efecto de campo de franja más fuerte. La espuma con una relación de peso más alta de la Parte A: Parte B de 6: 1 también tenía una mayor sensibilidad que la espuma con una fracción de aire más baja; Este resultado puede explicarse por el hecho de que la espuma con una relación de peso de 1: 1 tenía mucho más aire, por lo que el impacto de la deformación en la constante dieléctrica fue menor, lo que condujo a una menor sensibilidad12. Además, la repetibilidad del sensor se demuestra en la Figura 5D; Aquí la prueba cíclica reveló que el sensor capacitivo suave fabricado mantenía una alta repetibilidad a través de 1.000 cargas de presión cíclicas. Esto se debe a que las espumas de celda cerrada tienen poco comportamiento viscoelástico, por lo que la espuma no exhibe una deformación permanente bajo carga cíclica.
Figura 1: Proceso de fabricación de los lodos conductores de ECPC. (A) Preparación de la suspensión de CNTs/tolueno. (B) Preparación de la solución de PDMS/tolueno. (C) Preparación de la suspensión de CNTs/PDMS/tolueno. (D) Evaporación del exceso de disolvente de tolueno. E) Preparación de los purines de las PCEC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Proceso de fabricación de los electrodos blandos basados en canales microfluídicos . (A) Molde SU-8 definido litográficamente. (B) Desarrollo del patrón de molde SU-8. (C) Patrones PDMS. (D) Recubrimiento por raspado de lodos de ECPC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Fabricación y resistencia de los electrodos estirables. Fotografías de electrodos en forma de (A) una tira y (barra de escala, 5 mm) (B) un diseño serpentino con diferentes resoluciones de patrones (barra de escala, 5 mm). (C) Imagen de microscopio óptico de los electrodos fabricados con anchos de línea de 50 μm, 100 μm y 200 μm, respectivamente. (D) La resistencia de los diferentes electrodos con varios anchos de línea. (E) Los cambios en las resistencias de los diferentes electrodos bajo una deformación de tracción de hasta el 30%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Estabilidad de la resistencia del electrodo probado. La resistencia del electrodo blando con un diseño equivalente a IDE se mantuvo sin cambios en un rango de presión de compresión normal de 0-400 kPa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Caracterización del sensor de presión blanda propuesto. (A) Fotografía del sensor de presión capacitivo blando propuesto basado en IDE y espuma dieléctrica de silicona (barra de escala, 5 mm). (B) Principio de funcionamiento del sensor de presión propuesto. (C) Los cambios en la capacitancia de los sensores de presión con diferentes anchos de línea IDE y porosidades de espuma dieléctrica. (D) Prueba cíclica del sensor de presión durante 1.000 ciclos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
En este protocolo, hemos demostrado un nuevo método de impresión basado en canales microfluídicos para electrodos estirables. El material conductor del electrodo, la suspensión ECPC, se puede preparar mediante el método de evaporación del disolvente, que permite que los CNT se dispersen bien en la matriz PDMS, formando así un polímero conductor que exhibe una capacidad de estiramiento tan alta como el sustrato PDMS.
En el proceso de raspado, la suspensión ECPC se llena rápidamente en el canal microfluídico PDMS con la ayuda de una cuchilla de afeitar. Por lo tanto, la viscosidad de la suspensión juega un papel crucial en la operación de raspado. Una menor viscosidad de la suspensión ECPC daría como resultado microcanales parcialmente llenos, lo que puede causar un estado de circuito abierto o una resistencia significativamente mayor. Por otro lado, una mayor viscosidad podría conducir a una suspensión excesiva en la superficie del PDMS, induciendo un cortocircuito en las estructuras IDE de alta resolución. También debe tenerse en cuenta que aunque los CNT conductores solo representan una pequeña fracción del 7% en peso en la suspensión ECPC, la alta resistencia a nivel de megaohmios del electrodo tiene un impacto insignificante en el rendimiento de detección en sensores de presión capacitivos blandos.
El método propuesto no es adecuado para fabricar electrodos altamente conductores. Por lo tanto, una red eléctrica mejorada de PDMS dopados con CNT debe investigarse más a fondo para mantener la conductividad de los electrodos cuando se estiran.
En comparación con los electrodos producidos por los métodos de fabricación existentes, como la impresión de inyección de tinta6, la serigrafía10, la impresión por pulverización11 y la impresión por transferencia4, los electrodos blandos basados en canales microfluídicos propuestos tienen las ventajas de una alta resolución de impresión y una alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato.
El protocolo presentado en esta investigación combina los méritos de los materiales estirables y los canales microfluídicos, lo que permite un método de fabricación rápido y de bajo costo para producir electrodos estirables de alta resolución para aplicaciones de detección táctil robótica blanda.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo la subvención 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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