Flexibla elektroder har ett brett spektrum av applikationer inom mjuk robotik och bärbar elektronik. Det aktuella protokollet visar en ny strategi för att tillverka mycket töjbara elektroder med hög upplösning via litografiskt definierade mikrofluidiska kanaler, vilket banar väg för framtida högpresterande mjuktryckssensorer.
Flexibla och töjbara elektroder är viktiga komponenter i mjuka artificiella sensoriska system. Trots de senaste framstegen inom flexibel elektronik är de flesta elektroder antingen begränsade av mönstringsupplösningen eller förmågan hos bläckstråleutskrift med superelastiska material med hög viskositet. I denna artikel presenterar vi en enkel strategi för att tillverka mikrokanalbaserade töjbara kompositelektroder, vilket kan uppnås genom att skrapa elastiska ledande polymerkompositer (ECPC) i litografiskt präglade mikrofluidiska kanaler. ECPC: erna framställdes med en flyktig lösningsmedelsindunstningsmetod, som uppnår en enhetlig dispersion av kolnanorör (CNT) i en polydimetylsiloxanmatris (PDMS). Jämfört med konventionella tillverkningsmetoder kan den föreslagna tekniken underlätta snabb tillverkning av väldefinierade töjbara elektroder med högviskositetsuppslamning. Eftersom elektroderna i detta arbete bestod av helt elastomera material kan starka sammankopplingar bildas mellan ECPC-baserade elektroder och PDMS-baserade substrat vid gränssnitten av mikrokanalväggarna, vilket gör att elektroderna kan uppvisa mekanisk robusthet under höga dragspänningar. Dessutom studerades elektrodernas mekaniska-elektriska respons systematiskt. Slutligen utvecklades en mjuktryckssensor genom att kombinera ett dielektriskt silikonskum och ett interdigiterat elektrodskikt (IDE), och detta visade stor potential för trycksensorer i mjuka robotiska taktila avkänningsapplikationer.
Mjuka trycksensorer har utforskats i stor utsträckning i applikationer som pneumatiska robotgripare1, bärbar elektronik2, gränssnittssystem mellan människa och maskin3, etc. I sådana tillämpningar kräver det sensoriska systemet flexibilitet och töjbarhet för att säkerställa konform kontakt med godtyckliga krökta ytor. Därför krävs det att alla väsentliga komponenter, inklusive substratet, det transducerande elementet och elektroden, ger konsekvent funktionalitet under extrema deformationsförhållanden4. För att upprätthålla hög avkänningsprestanda är det dessutom viktigt att hålla förändringarna i de mjuka elektroderna till miniminivån för att undvika störningar i de elektriska avkänningssignalerna5.
Som en av kärnkomponenterna i mjuktryckssensorer är töjbara elektroder som kan upprätthålla höga spännings- och töjningsnivåer avgörande för att enheten ska bevara stabila ledande vägar och impedansegenskaper 6,7. Mjuka elektroder med utmärkt prestanda har vanligtvis 1) hög rumslig upplösning på mikrometerskala och 2) hög töjbarhet med stark bindning till substratet, och dessa är oumbärliga egenskaper för att möjliggöra högintegrerad mjuk elektronik i en bärbar storlek8. Därför har olika strategier nyligen föreslagits för att utveckla mjuka elektroder med ovanstående egenskaper, såsom bläckstråleutskrift, screentryck, sprayutskrift och överföringstryck etc. 9. Bläckstråleutskriftsmetoden6 har använts i stor utsträckning på grund av dess fördelar med enkel tillverkning, inget maskeringskrav och en låg mängd materialavfall, men det är svårt att uppnå högupplöst mönstring på grund av begränsningar när det gäller bläckviskositeten. Screentryck10 och spraytryck11 är enkla och kostnadseffektiva mönstringsmetoder som kräver en skuggmask på underlaget. Funktionen att placera eller ta bort masken kan dock minska mönstringens tydlighet. Även om transfertryck4 har rapporterats vara ett lovande sätt att uppnå högupplöst utskrift, lider denna metod av en komplicerad procedur och en tidskrävande tryckprocess. Dessutom har de flesta av de mjuka elektroderna som produceras av dessa mönstringsmetoder andra nackdelar, såsom delaminering från substratet.
Här presenterar vi en ny tryckmetod för snabb tillverkning av kostnadseffektiva och högupplösta mjuka elektroder baserade på mikrofluidiska kanalkonfigurationer. Jämfört med andra konventionella tillverkningsmetoder använder den föreslagna strategin elastiska ledande polymerkompositer (ECPC) som ledande material och litografiskt präglade mikrofluidiska kanaler för att mönstra elektrodspåren. ECPC-uppslamningen framställs med lösningsmedelsindunstningsmetoden och består av 7 viktprocent kolnanorör (CNT) väl dispergerade i en polydimetylsiloxanmatris (PDMS). Genom att skrapa ECPCs uppslamning i den mikrofluidiska kanalen kan högupplösta elektroder definierade genom litografisk mönstring produceras. Dessutom, eftersom elektroden huvudsakligen är baserad på PDMS, skapas stark bindning vid gränssnittet mellan ECPC-baserad elektrod och PDMS-substratet. Således kan elektroden upprätthålla en sträcknivå så hög som PDMS-substratet. De experimentella resultaten bekräftar att den föreslagna töjbara elektroden kan reagera linjärt på axiella töjningar upp till 30% och uppvisa utmärkt stabilitet i ett högtrycksområde på 0-400 kPa, vilket indikerar den stora potentialen hos denna metod för tillverkning av mjuka elektroder i kapacitiva trycksensorer, vilket också demonstreras i detta arbete.
I detta protokoll har vi demonstrerat en ny mikrofluidisk kanalbaserad tryckmetod för töjbara elektroder. Elektrodens ledande material, ECPCs-uppslamningen, kan framställas med lösningsmedelsindunstningsmetoden, vilket gör att CNT: erna kan spridas väl i PDMS-matrisen och därigenom bilda en ledande polymer som uppvisar en töjbarhet lika hög som PDMS-substratet.
I skrapningsprocessen fylls ECPCs uppslamning snabbt i PDMS mikrofluidiska kanal med hjälp av ett rakblad. Därför spelar v…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.
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 |