Мягкие электроды на основе микрофлюидных каналов и их применение в емкостном измерении давления
Summary
Гибкие электроды имеют широкий спектр применения в мягкой робототехнике и носимой электронике. Настоящий протокол демонстрирует новую стратегию изготовления электродов с высокой растяжимостью и высоким разрешением через литографически определенные микрофлюидные каналы, что прокладывает путь для будущих высокопроизводительных датчиков мягкого давления.
Abstract
Гибкие и растягивающиеся электроды являются важными компонентами мягких искусственных сенсорных систем. Несмотря на последние достижения в области гибкой электроники, большинство электродов ограничены либо разрешением рисунка, либо возможностью струйной печати сверхэластичными материалами с высокой вязкостью. В этой статье мы представляем простую стратегию изготовления растягивающихся композитных электродов на основе микроканалов, которая может быть достигнута путем соскабливания эластичных проводящих полимерных композитов (ECPC) в литографически тисненые микрофлюидные каналы. ECPC были получены методом выпаривания летучих растворителей, который обеспечивает равномерную дисперсию углеродных нанотрубок (УНТ) в матрице полидиметилсилоксана (PDMS). По сравнению с традиционными методами изготовления, предлагаемая технология может способствовать быстрому изготовлению четко определенных растягивающихся электродов с высоковязкой суспензией. Поскольку электроды в этой работе были изготовлены из полностью эластомерных материалов, между электродами на основе ECPC и подложкой на основе PDMS на границах раздела стенок микроканалов могут образовываться прочные взаимосвязи, что позволяет электродам проявлять механическую прочность при высоких деформациях на растяжение. Кроме того, систематически изучался и механико-электрический отклик электродов. Наконец, мягкий датчик давления был разработан путем объединения диэлектрической силиконовой пены и слоя межпальцевых электродов (IDE), и это продемонстрировало большой потенциал для датчиков давления в приложениях мягкого роботизированного тактильного зондирования.
Introduction
Мягкие датчики давления широко используются в таких приложениях, как пневматические роботизированные захваты1, носимая электроника2, системы человеко-машинного интерфейса3 и т. д. В таких приложениях сенсорная система требует гибкости и растяжимости для обеспечения конформного контакта с произвольными криволинейными поверхностями. Следовательно, для обеспечения постоянной функциональности в экстремальных условияхдеформации 4 требуются все основные компоненты, включая подложку, преобразующий элемент и электрод. Кроме того, для поддержания высоких характеристик срабатывания датчиков важно поддерживать изменения в мягких электродах на минимальном уровне, чтобы избежать помех в электрических чувствительных сигналах5.
В качестве одного из основных компонентов датчиков мягкого давления растягивающиеся электроды, способные выдерживать высокие уровни напряжения и деформации, имеют решающее значение для устройства для сохранения стабильных проводящих путей и импедансных характеристик 6,7. Мягкие электроды с отличными характеристиками обычно обладают: 1) высоким пространственным разрешением в микрометровом масштабе и 2) высокой растяжимостью с прочным сцеплением с подложкой, и это незаменимые характеристики для обеспечения высокоинтегрированной мягкой электроники в носимом размере8. Поэтому в последнее время были предложены различные стратегии для разработки мягких электродов с вышеуказанными свойствами, таких как струйная печать, трафаретная печать, распылительная печать, трансферная печать и т. Д. 9. Метод струйной печати6 широко используется из-за его преимуществ простого изготовления, отсутствия необходимости маскировки и небольшого количества отходов материала, но трудно добиться рисунка с высоким разрешением из-за ограничений с точки зрения вязкости чернил. Трафаретная печать10 и распылительная печать11 являются простыми и экономичными методами нанесения рисунка, требующими нанесения теневой маски на подложку. Однако операция по размещению или снятию маски может снизить четкость рисунка. Хотя сообщалось, что трансферная печать4 является многообещающим способом достижения печати с высоким разрешением, этот метод страдает от сложной процедуры и трудоемкого процесса печати. Кроме того, большинство мягких электродов, полученных с помощью этих методов нанесения рисунка, имеют другие недостатки, такие как расслоение от подложки.
Здесь мы представляем новый метод печати для быстрого изготовления экономичных мягких электродов с высоким разрешением на основе конфигураций микрофлюидных каналов. По сравнению с другими традиционными методами изготовления, предлагаемая стратегия использует эластичные проводящие полимерные композиты (ECPC) в качестве проводящего материала и литографически тисненые микрофлюидные каналы для нанесения рисунка на следы электродов. Суспензия ECPCs готовится методом выпаривания растворителем и состоит из 7 мас.% углеродных нанотрубок (УНТ), хорошо диспергированных в матрице полидиметилсилоксана (ПДМС). Соскабливая суспензию ECPC в микрофлюидный канал, можно получить электроды с высоким разрешением, определяемые литографическим рисунком. Кроме того, поскольку электрод в основном основан на PDMS, на границе раздела между электродом на основе ECPC и подложкой PDMS создается прочная связь. Таким образом, электрод может выдерживать уровень растяжения, такой же высокий, как подложка PDMS. Экспериментальные результаты подтверждают, что предложенный растягиваемый электрод может линейно реагировать на осевые деформации до 30% и проявлять превосходную стабильность в диапазоне высокого давления 0-400 кПа, что указывает на большой потенциал этого метода для изготовления мягких электродов в емкостных датчиках давления, что также продемонстрировано в данной работе.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе мы продемонстрировали новый метод печати на основе микрофлюидных каналов для растягивающихся электродов. Проводящий материал электрода, суспензия ECPC, может быть получен методом испарения растворителя, который позволяет УНТ хорошо диспергироваться в матрице PDMS, обра?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта 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
- Sun, Z. D., et al. Artificial intelligence of things (AIoT) enabled virtual shop applications using self-powered sensor enhanced soft robotic manipulator. Advanced Science. 8 (14), 2100230 (2021).
- Lo, L. -. W., et al. Inkjet-printed soft resistive pressure sensor patch for wearable electronics applications. Advanced Materials Technology. 5 (1), 1900717 (2020).
- Zhu, M. L., et al. Haptic-feedback smart glove as a creative human-machine interface (HMI) for virtual/augmented reality applications. Science Advances. 6 (19), (2020).
- Woo, S. -. J., Kong, J. -. H., Kim, D. -. G., Kim, J. -. M. A thin all-elastomeric capacitive pressure sensor array based on micro contact printed elastic conductors. Journal of Materials Chemistry C. 2 (22), 4415-4422 (2012).
- Tang, J., et al. Highly stretchable electrodes on wrinkled polydimethylsiloxane substrates. Scientific Reports. 5, 16527 (2015).
- Lo, L. -. W., et al. An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).
- Luo, R. -. B., Li, H. -. B., Du, B., Zhou, S. -. S., Zhu, Y. -. X. A simple strategy for high stretchable, flexible and conductive polymer films based on PEDOT:PSS-PDMS blends. Organic Electronics. 76, 105451 (2020).
- Zhang, Y., et al. Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces. Nature Communications. 13, 1317 (2022).
- Hong, S., Lee, S., Kim, D. -. H. Materials and design strategies of stretchable electrodes for electronic skin and its applications. Proceedings of the IEEE. 107 (10), 2185-2197 (2019).
- Shi, H., et al. Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures. Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116 (2019).
- Mahmoudinezhad, M. H., Anderson, I., Rosset, S. Interdigitated sensor based on a silicone foam for subtle robotic manipulation. Macromolecular Rapid Communications. 42 (5), 2000560 (2019).
