Electrodos blandos basados en canales microfluídicos y su aplicación en la detección de presión capacitiva
Summary
Los electrodos flexibles tienen una amplia gama de aplicaciones en robótica blanda y electrónica portátil. El protocolo actual demuestra una nueva estrategia para fabricar electrodos altamente estirables con alta resolución a través de canales microfluídicos definidos litográficamente, lo que allana el camino para futuros sensores de presión suave de alto rendimiento.
Abstract
Los electrodos flexibles y estirables son componentes esenciales en los sistemas sensoriales artificiales blandos. A pesar de los recientes avances en electrónica flexible, la mayoría de los electrodos están restringidos por la resolución del patrón o la capacidad de impresión de inyección de tinta con materiales superelásticos de alta viscosidad. En este documento, presentamos una estrategia simple para fabricar electrodos compuestos estirables basados en microcanales, que se pueden lograr raspando compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) en canales microfluídicos en relieve litográficamente. Los ECPC se prepararon mediante un método de evaporación de disolventes volátiles, que logra una dispersión uniforme de nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). En comparación con los métodos de fabricación convencionales, la técnica propuesta puede facilitar la fabricación rápida de electrodos estirables bien definidos con lodos de alta viscosidad. Dado que los electrodos en este trabajo estaban compuestos de materiales totalmente elastoméricos, se pueden formar fuertes interconexiones entre los electrodos basados en ECPC y el sustrato basado en PDMS en las interfaces de las paredes del microcanal, lo que permite que los electrodos exhiban robustez mecánica bajo altas tensiones de tracción. Además, también se estudió sistemáticamente la respuesta mecánico-eléctrica de los electrodos. Finalmente, se desarrolló un sensor de presión suave combinando una espuma de silicona dieléctrica y una capa de electrodos interdigitados (IDE), y esto demostró un gran potencial para los sensores de presión en aplicaciones de detección táctil robótica blanda.
Introduction
Los sensores de presión suave se han explorado ampliamente en aplicaciones como pinzas robóticas neumáticas1, electrónica portátil2, sistemas de interfaz hombre-máquina3, etc. En tales aplicaciones, el sistema sensorial requiere flexibilidad y capacidad de estiramiento para garantizar el contacto conforme con superficies curvilíneas arbitrarias. Por lo tanto, requiere que todos los componentes esenciales, incluidos el sustrato, el elemento transductor y el electrodo, proporcionen una funcionalidad consistente en condiciones extremas de deformación4. Además, para mantener un alto rendimiento de detección, es esencial mantener los cambios en los electrodos blandos al nivel mínimo para evitar interferencias en las señales de detección eléctrica5.
Como uno de los componentes centrales en los sensores de presión blanda, los electrodos estirables capaces de soportar altos niveles de tensión y deformación son cruciales para que el dispositivo preserve vías conductoras estables y características de impedancia 6,7. Los electrodos blandos con excelente rendimiento generalmente poseen 1) alta resolución espacial a escala micrométrica y 2) alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato, y estas son características indispensables para permitir una electrónica blanda altamente integrada en un tamaño portátil8. Por lo tanto, recientemente se han propuesto varias estrategias para desarrollar electrodos blandos con las propiedades anteriores, como la impresión por chorro de tinta, la serigrafía, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, etc. 9. El método de impresión de inyección de tinta6 ha sido ampliamente utilizado debido a sus ventajas de fabricación simple, sin requisitos de enmascaramiento y una baja cantidad de desperdicio de material, pero es difícil lograr patrones de alta resolución debido a las limitaciones en términos de viscosidad de la tinta. La serigrafía10 y la impresión por pulverización11 son métodos de modelado simples y rentables que requieren una máscara de sombra en el sustrato. Sin embargo, la operación de colocar o quitar la máscara puede reducir la claridad del patrón. Aunque se ha informado que la impresión por transferencia4 es una forma prometedora de lograr la impresión de alta resolución, este método sufre de un procedimiento complicado y un proceso de impresión que consume mucho tiempo. Además, la mayoría de los electrodos blandos producidos por estos métodos de patrón tienen otras desventajas, como la delaminación del sustrato.
Aquí, presentamos un novedoso método de impresión para la fabricación rápida de electrodos blandos rentables y de alta resolución basados en configuraciones de canales microfluídicos. En comparación con otros métodos de fabricación convencionales, la estrategia propuesta utiliza compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) como material conductor y canales microfluídicos en relieve litográficamente para modelar las trazas de electrodos. La suspensión ECPC se prepara por el método de evaporación con disolvente y consiste en un 7% en peso de nanotubos de carbono (CNT) bien dispersos en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Al raspar la suspensión de ECPC en el canal microfluídico, se pueden producir electrodos de alta resolución definidos por patrones litográficos. Además, dado que el electrodo se basa principalmente en PDMS, se crea una fuerte unión en la interfaz entre el electrodo basado en ECPC y el sustrato PDMS. Por lo tanto, el electrodo puede mantener un nivel de estiramiento tan alto como el sustrato PDMS. Los resultados experimentales confirman que el electrodo estirable propuesto puede responder linealmente a deformaciones axiales de hasta el 30% y exhibir una excelente estabilidad en un rango de alta presión de 0-400 kPa, lo que indica el gran potencial de este método para fabricar electrodos blandos en sensores de presión capacitivos, que también se demuestra en este trabajo.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, hemos demostrado un nuevo método de impresión basado en canales microfluídicos para electrodos estirables. El material conductor del electrodo, la suspensión ECPC, se puede preparar mediante el método de evaporación del disolvente, que permite que los CNT se dispersen bien en la matriz PDMS, formando así un polímero conductor que exhibe una capacidad de estiramiento tan alta como el sustrato PDMS.
En el proceso de raspado, la suspensión ECPC se llena rápidamente en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo la subvención 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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