Elettrodi morbidi basati su canali microfluidici e loro applicazione nel rilevamento capacitivo della pressione

Summary

Gli elettrodi flessibili hanno una vasta gamma di applicazioni nella robotica morbida e nell’elettronica indossabile. Il presente protocollo dimostra una nuova strategia per fabbricare elettrodi altamente estensibili ad alta risoluzione tramite canali microfluidici litograficamente definiti, che apre la strada a futuri sensori di pressione morbida ad alte prestazioni.

Abstract

Gli elettrodi flessibili ed estensibili sono componenti essenziali nei sistemi sensoriali artificiali morbidi. Nonostante i recenti progressi nell’elettronica flessibile, la maggior parte degli elettrodi è limitata dalla risoluzione del pattern o dalla capacità di stampa a getto d’inchiostro con materiali superelastici ad alta viscosità. In questo articolo, presentiamo una semplice strategia per fabbricare elettrodi compositi estensibili basati su microcanali, che possono essere ottenuti raschiando compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC) in canali microfluidici litograficamente goffrati. Gli ECPC sono stati preparati con un metodo di evaporazione con solvente volatile, che raggiunge una dispersione uniforme di nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS). Rispetto ai metodi di fabbricazione convenzionali, la tecnica proposta può facilitare la fabbricazione rapida di elettrodi estensibili ben definiti con liquami ad alta viscosità. Poiché gli elettrodi in questo lavoro erano costituiti da materiali interamente elastomerici, è possibile formare forti interconnessioni tra gli elettrodi basati su ECPC e il substrato basato su PDMS alle interfacce delle pareti del microcanale, il che consente agli elettrodi di mostrare robustezza meccanica sotto elevate sollecitazioni di trazione. Inoltre, è stata studiata sistematicamente anche la risposta meccanico-elettrica degli elettrodi. Infine, è stato sviluppato un sensore di pressione morbida combinando una schiuma di silicone dielettrico e uno strato di elettrodi interdigitati (IDE), e questo ha dimostrato un grande potenziale per i sensori di pressione nelle applicazioni di rilevamento tattile robotico morbido.

Introduction

I sensori di pressione morbida sono stati ampiamente esplorati in applicazioni come pinze pneumatiche robotiche¹, elettronica indossabile², sistemi di interfaccia uomo-macchina³, ecc. In tali applicazioni, il sistema sensoriale richiede flessibilità ed elasticità per garantire un contatto conforme con superfici curvilinee arbitrarie. Pertanto, richiede tutti i componenti essenziali, inclusi il substrato, l’elemento trasduttore e l’elettrodo, per fornire funzionalità coerenti in condizioni di deformazione estreme⁴. Inoltre, per mantenere elevate prestazioni di rilevamento, è essenziale mantenere le variazioni degli elettrodi morbidi al livello minimo per evitare interferenze nei segnali di rilevamento elettrico⁵.

Come uno dei componenti principali nei sensori di pressione morbida, gli elettrodi estensibili in grado di sostenere elevati livelli di stress e deformazione sono fondamentali affinché il dispositivo preservi percorsi conduttivi stabili e caratteristiche di impedenza ^6,7. Gli elettrodi morbidi con prestazioni eccellenti di solito possiedono 1) alta risoluzione spaziale alla scala micrometrica e 2) elevata elasticità con forte legame al substrato, e queste sono caratteristiche indispensabili per consentire un’elettronica morbida altamente integrata in una dimensione indossabile⁸. Pertanto, recentemente sono state proposte varie strategie per sviluppare elettrodi morbidi con le proprietà di cui sopra, come la stampa a getto d’inchiostro, la serigrafia, la stampa a spruzzo e la stampa transfer, ecc. ⁹. Il metodo di stampa a getto d’inchiostro⁶ è stato ampiamente utilizzato grazie ai suoi vantaggi di fabbricazione semplice, nessun requisito di mascheratura e una bassa quantità di spreco di materiale, ma è difficile ottenere modelli ad alta risoluzione a causa delle limitazioni in termini di viscosità dell’inchiostro. La serigrafia¹⁰ e la stampa a spruzzo¹¹ sono metodi di modellazione semplici ed economici che richiedono una maschera d’ombra sul substrato. Tuttavia, l’operazione di posizionamento o rimozione della maschera può ridurre la chiarezza della serie. Sebbene la stampa transfer⁴ sia stata segnalata come un modo promettente per ottenere una stampa ad alta risoluzione, questo metodo soffre di una procedura complicata e di un processo di stampa che richiede tempo. Inoltre, la maggior parte degli elettrodi morbidi prodotti da questi metodi di modellazione presentano altri svantaggi, come la delaminazione dal substrato.

Qui presentiamo un nuovo metodo di stampa per la fabbricazione rapida di elettrodi morbidi economici e ad alta risoluzione basati su configurazioni di canali microfluidici. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione convenzionali, la strategia proposta utilizza compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC) come materiale conduttivo e canali microfluidici litograficamente goffrati per modellare le tracce degli elettrodi. Il liquame ECPCs è preparato con il metodo di evaporazione con solvente ed è costituito da 7 nanotubi di carbonio (CNT) ben dispersi in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS). Raschiando il liquame ECPCs nel canale microfluidico, è possibile produrre elettrodi ad alta risoluzione definiti da pattern litografici. Inoltre, poiché l’elettrodo è basato principalmente su PDMS, viene creato un forte legame all’interfaccia tra l’elettrodo basato su ECPC e il substrato PDMS. Pertanto, l’elettrodo può sostenere un livello di allungamento alto quanto il substrato PDMS. I risultati sperimentali confermano che l’elettrodo estensibile proposto può rispondere linearmente alle deformazioni assiali fino al 30% e mostrare un’eccellente stabilità in un intervallo di alta pressione di 0-400 kPa, indicando il grande potenziale di questo metodo per fabbricare elettrodi morbidi in sensori di pressione capacitivi, che è anche dimostrato in questo lavoro.

Protocol

1. Sintesi del liquame ECPCs Disperdere i CNT in un solvente di toluene con un rapporto di peso di 1:30 e diluire la base PDMS con toluene in un rapporto di peso di 1:1.NOTA: L’intera procedura sperimentale, illustrata nella figura 1, deve essere eseguita in una cappa aspirante ben ventilata. Agitare magneticamente la sospensione CNT/toluene e la soluzione PDMS/toluene a temperatura ambiente per 1 ora.NOTA: questo passaggio consente ai CNT di esse…

Representative Results

Seguendo il protocollo, gli ECPC possono essere modellati tramite il canale microfluidico, che porta alla formazione di elettrodi estensibili ad alta risoluzione. Le figure 3A, B mostrano fotografie di elettrodi morbidi con diversi disegni di tracce e risoluzioni di stampa. La figura 3C mostra le diverse larghezze di linea degli elettrodi fabbricati, tra cui 50 μm, 100 μm e 200 μm. La resistenza di ciascun elettrodo è presentata nella <stron…

Discussion

In questo protocollo, abbiamo dimostrato un nuovo metodo di stampa basato su canali microfluidici per elettrodi estensibili. Il materiale conduttivo dell’elettrodo, il liquame ECPCs, può essere preparato con il metodo di evaporazione del solvente, che consente ai CNT di essere ben dispersi nella matrice PDMS, formando così un polimero conduttivo che presenta un’elasticità elevata quanto il substrato PDMS.

Nel processo di raschiatura, il liquame ECPCs viene rapidamente riempito nel canale mi…

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