माइक्रोफ्लुइडिक चैनल-आधारित सॉफ्ट इलेक्ट्रोड और कैपेसिटिव प्रेशर सेंसिंग में उनका अनुप्रयोग
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।
Protocol
Representative Results
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 द्वा…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को अनुदान 62273304 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
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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