Mikrofluidiska kanalbaserade mjuka elektroder och deras tillämpning i kapacitiv tryckavkänning

Summary

Flexibla elektroder har ett brett spektrum av applikationer inom mjuk robotik och bärbar elektronik. Det aktuella protokollet visar en ny strategi för att tillverka mycket töjbara elektroder med hög upplösning via litografiskt definierade mikrofluidiska kanaler, vilket banar väg för framtida högpresterande mjuktryckssensorer.

Abstract

Flexibla och töjbara elektroder är viktiga komponenter i mjuka artificiella sensoriska system. Trots de senaste framstegen inom flexibel elektronik är de flesta elektroder antingen begränsade av mönstringsupplösningen eller förmågan hos bläckstråleutskrift med superelastiska material med hög viskositet. I denna artikel presenterar vi en enkel strategi för att tillverka mikrokanalbaserade töjbara kompositelektroder, vilket kan uppnås genom att skrapa elastiska ledande polymerkompositer (ECPC) i litografiskt präglade mikrofluidiska kanaler. ECPC: erna framställdes med en flyktig lösningsmedelsindunstningsmetod, som uppnår en enhetlig dispersion av kolnanorör (CNT) i en polydimetylsiloxanmatris (PDMS). Jämfört med konventionella tillverkningsmetoder kan den föreslagna tekniken underlätta snabb tillverkning av väldefinierade töjbara elektroder med högviskositetsuppslamning. Eftersom elektroderna i detta arbete bestod av helt elastomera material kan starka sammankopplingar bildas mellan ECPC-baserade elektroder och PDMS-baserade substrat vid gränssnitten av mikrokanalväggarna, vilket gör att elektroderna kan uppvisa mekanisk robusthet under höga dragspänningar. Dessutom studerades elektrodernas mekaniska-elektriska respons systematiskt. Slutligen utvecklades en mjuktryckssensor genom att kombinera ett dielektriskt silikonskum och ett interdigiterat elektrodskikt (IDE), och detta visade stor potential för trycksensorer i mjuka robotiska taktila avkänningsapplikationer.

Introduction

Mjuka trycksensorer har utforskats i stor utsträckning i applikationer som pneumatiska robotgripare¹, bärbar elektronik², gränssnittssystem mellan människa och maskin³, etc. I sådana tillämpningar kräver det sensoriska systemet flexibilitet och töjbarhet för att säkerställa konform kontakt med godtyckliga krökta ytor. Därför krävs det att alla väsentliga komponenter, inklusive substratet, det transducerande elementet och elektroden, ger konsekvent funktionalitet under extrema deformationsförhållanden⁴. För att upprätthålla hög avkänningsprestanda är det dessutom viktigt att hålla förändringarna i de mjuka elektroderna till miniminivån för att undvika störningar i de elektriska avkänningssignalerna⁵.

Som en av kärnkomponenterna i mjuktryckssensorer är töjbara elektroder som kan upprätthålla höga spännings- och töjningsnivåer avgörande för att enheten ska bevara stabila ledande vägar och impedansegenskaper ^6,7. Mjuka elektroder med utmärkt prestanda har vanligtvis 1) hög rumslig upplösning på mikrometerskala och 2) hög töjbarhet med stark bindning till substratet, och dessa är oumbärliga egenskaper för att möjliggöra högintegrerad mjuk elektronik i en bärbar storlek⁸. Därför har olika strategier nyligen föreslagits för att utveckla mjuka elektroder med ovanstående egenskaper, såsom bläckstråleutskrift, screentryck, sprayutskrift och överföringstryck etc. ⁹. Bläckstråleutskriftsmetoden⁶ har använts i stor utsträckning på grund av dess fördelar med enkel tillverkning, inget maskeringskrav och en låg mängd materialavfall, men det är svårt att uppnå högupplöst mönstring på grund av begränsningar när det gäller bläckviskositeten. Screentryck¹⁰ och spraytryck¹¹ är enkla och kostnadseffektiva mönstringsmetoder som kräver en skuggmask på underlaget. Funktionen att placera eller ta bort masken kan dock minska mönstringens tydlighet. Även om transfertryck⁴ har rapporterats vara ett lovande sätt att uppnå högupplöst utskrift, lider denna metod av en komplicerad procedur och en tidskrävande tryckprocess. Dessutom har de flesta av de mjuka elektroderna som produceras av dessa mönstringsmetoder andra nackdelar, såsom delaminering från substratet.

Här presenterar vi en ny tryckmetod för snabb tillverkning av kostnadseffektiva och högupplösta mjuka elektroder baserade på mikrofluidiska kanalkonfigurationer. Jämfört med andra konventionella tillverkningsmetoder använder den föreslagna strategin elastiska ledande polymerkompositer (ECPC) som ledande material och litografiskt präglade mikrofluidiska kanaler för att mönstra elektrodspåren. ECPC-uppslamningen framställs med lösningsmedelsindunstningsmetoden och består av 7 viktprocent kolnanorör (CNT) väl dispergerade i en polydimetylsiloxanmatris (PDMS). Genom att skrapa ECPCs uppslamning i den mikrofluidiska kanalen kan högupplösta elektroder definierade genom litografisk mönstring produceras. Dessutom, eftersom elektroden huvudsakligen är baserad på PDMS, skapas stark bindning vid gränssnittet mellan ECPC-baserad elektrod och PDMS-substratet. Således kan elektroden upprätthålla en sträcknivå så hög som PDMS-substratet. De experimentella resultaten bekräftar att den föreslagna töjbara elektroden kan reagera linjärt på axiella töjningar upp till 30% och uppvisa utmärkt stabilitet i ett högtrycksområde på 0-400 kPa, vilket indikerar den stora potentialen hos denna metod för tillverkning av mjuka elektroder i kapacitiva trycksensorer, vilket också demonstreras i detta arbete.

Protocol

1. Syntes av ECPC-flytgödsel Lös upp CNT:erna i ett toluenlösningsmedel i viktförhållandet 1:30 och späd PDMS-basen med toluen i viktförhållandet 1:1.Anmärkning: Hela försöksförfarandet, som visas i figur 1, bör utföras i en väl ventilerad dragskåp. Rör om CNT/toluensuspensionen magnetiskt och PDMS/toluenlösningen vid rumstemperatur i 1 timme.OBS: Detta steg gör att CNT: erna kan spridas väl i PDMS-matrisen i följande steg.</l…

Representative Results

Enligt protokollet kan ECPC mönstras via den mikrofluidiska kanalen, vilket leder till bildandet av töjbara elektroder med hög upplösning. Figur 3A, B visar fotografier av mjuka elektroder med olika spårdesigner och tryckupplösningar. Figur 3C visar de olika linjebredderna för de tillverkade elektroderna, inklusive 50 μm, 100 μm och 200 μm. Motståndet för varje elektrod presenteras i figur 3D, vilket vis…

Discussion

I detta protokoll har vi demonstrerat en ny mikrofluidisk kanalbaserad tryckmetod för töjbara elektroder. Elektrodens ledande material, ECPCs-uppslamningen, kan framställas med lösningsmedelsindunstningsmetoden, vilket gör att CNT: erna kan spridas väl i PDMS-matrisen och därigenom bilda en ledande polymer som uppvisar en töjbarhet lika hög som PDMS-substratet.

I skrapningsprocessen fylls ECPCs uppslamning snabbt i PDMS mikrofluidiska kanal med hjälp av ett rakblad. Därför spelar v…

Materials

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:2inch
Stirrer	IKA	Color Squid	Stirring Equipment
Toluene	Sinopharm Chemical Reagent		Solvent for the Preparation of ECPCs
Triethoxysilane	Macklin