Électrodes souples à base de canaux microfluidiques et leur application dans la détection capacitive de pression
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.
Protocol
Representative Results
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 r…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre de la subvention 62273304.
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 |
References
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