マイクロ流体チャネルベースのソフト電極とその静電容量式圧力センシングへの応用
Summary
フレキシブル電極は、ソフトロボティクスやウェアラブルエレクトロニクスに幅広い用途があります。本プロトコルは、リソグラフィ的に定義されたマイクロ流体チャネル を介して 高分解能で高伸縮性電極を製造するための新しい戦略を示しており、将来の高性能軟圧センサーへの道を開きます。
Abstract
柔軟で伸縮性のある電極は、ソフト人工感覚システムに不可欠なコンポーネントです。フレキシブルエレクトロニクスの最近の進歩にもかかわらず、ほとんどの電極は、パターニング解像度または高粘度の超弾性材料を使用したインクジェット印刷の機能によって制限されています。この論文では、弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)をリソグラフィエンボスマイクロ流体チャネルに掻き取ることによって達成できるマイクロチャネルベースの伸縮性複合電極を作製するための簡単な戦略を提示します。ECPCは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)マトリックス中のカーボンナノチューブ(CNT)の均一な分散を達成する揮発性溶媒蒸発法によって調製されました。提案技術は、従来の作製方法と比較して、高粘度スラリーを用いた明確に定義された伸縮性電極の迅速な作製を容易にすることができる。本研究の電極はオールエラストマー材料で構成されているため、ECPCベースの電極とPDMSベースの基板の間にマイクロチャネル壁の界面に強力なインターリンクを形成することができ、電極は高い引張ひずみの下で機械的堅牢性を示すことができます。さらに、電極の機械的 – 電気的応答も体系的に研究された。最後に、誘電体シリコーンフォームとインターディジット電極(IDE)層を組み合わせて軟圧センサを開発し、ソフトロボット触覚センシングアプリケーションにおける圧力センサの大きな可能性を示しました。
Introduction
軟圧センサは、空気圧ロボットグリッパー1、ウェアラブルエレクトロニクス2、ヒューマンマシンインターフェースシステム3などのアプリケーションで広く検討されています。このような用途では、感覚系は、任意の曲線表面とのコンフォーマル接触を確実にするために柔軟性および伸縮性を必要とする。したがって、極端な変形条件下で一貫した機能を提供するために、基板、変換素子、電極を含むすべての必須コンポーネントが必要です4。また、高いセンシング性能を維持するためには、電気的なセンシング信号5への干渉を避けるために、ソフト電極の変化を最小限にとどめることが不可欠です。
軟圧センサのコアコンポーネントの1つとして、高い応力とひずみレベルを維持できる伸縮性電極は、デバイスが安定した導電経路とインピーダンス特性を維持するために重要です6,7。優れた性能を持つソフト電極は、通常、1)マイクロメートルスケールでの高い空間分解能、2)基板との強固な接合による高い伸縮性を有しており、これらはウェアラブルサイズ8の高集積ソフトエレクトロニクスを実現するために不可欠な特性です。そのため、最近、上記特性を有する軟質電極を開発するための様々な戦略が提案されている、例えば、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スプレー印刷、転写印刷などがある。9.インクジェット印刷法6は、製造が簡単で、マスキングが不要で、材料廃棄物が少ないという利点から広く使用されていますが、インク粘度の点で制限があるため、高解像度のパターニングを実現することは困難です。スクリーン印刷10およびスプレー印刷11は、基板上にシャドーマスクを必要とする簡便で費用対効果の高いパターニング方法である。ただし、マスクを配置または除去する操作は、パターニングの鮮明さを低下させる可能性があります。転写印刷4は、高解像度印刷を実現するための有望な方法であると報告されているが、この方法は、複雑な手順と時間のかかる印刷プロセスに悩まされている。さらに、これらのパターニング方法によって製造されたソフト電極のほとんどは、基板からの層間剥離などの他の欠点を有する。
ここでは、マイクロ流体チャネル構成に基づいて、費用対効果が高く高解像度のソフト電極を迅速に作製するための新しい印刷方法を紹介します。他の従来の製造方法と比較して、提案された戦略は、導電性材料として弾性導電性ポリマー複合材料(ECPC)を利用し、リソグラフィーエンボス加工されたマイクロ流体チャネルを使用して電極トレースをパターン化します。ECPCスラリーは溶媒蒸発法によって調製され、ポリジメチルシロキサン(PDMS)マトリックスに十分に分散した7重量%カーボンナノチューブ(CNT)からなる。ECPCスラリーをマイクロ流体チャネルに掻き取ることにより、リソグラフィーパターニングによって定義される高解像度の電極を製造できます。また、電極は主にPDMSをベースにしているため、ECPCベースの電極とPDMS基板との界面に強固な接合が生まれます。したがって、電極は、PDMS基板と同じ高さのストレッチレベルを維持することができる。実験結果から、提案する伸縮電極は軸方向ひずみに対して最大30%の直線応答が可能で、0-400kPaの高圧域で優れた安定性を示すことが確認され、静電容量式圧力センサにおける軟電極作製に大きな可能性を秘めていることが示され、本研究でも実証されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルでは、伸縮性電極用の新しいマイクロ流体チャネルベースの印刷方法を実証しました。電極の導電性材料であるECPCスラリーは、溶媒蒸発法によって調製することができ、これによりCNTをPDMSマトリックスに良好に分散させ、PDMS基板と同等の高い伸縮性を示す導電性ポリマーを形成することができる。
掻き取りプロセスでは、ECPCスラリーは、かみそりの刃?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、助成金62273304の下で中国国立自然科学財団によって支援されました。
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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