Mikroakışkan Kanal Bazlı Yumuşak Elektrotlar ve Kapasitif Basınç Algılamada Uygulamaları
Summary
Esnek elektrotlar, yumuşak robotik ve giyilebilir elektronikte çok çeşitli uygulamalara sahiptir. Mevcut protokol, litografik olarak tanımlanmış mikroakışkan kanallar aracılığıyla yüksek çözünürlüğe sahip yüksek oranda gerilebilir elektrotlar üretmek için yeni bir strateji göstermektedir ve bu da gelecekteki yüksek performanslı yumuşak basınç sensörlerinin önünü açmaktadır.
Abstract
Esnek ve gerilebilir elektrotlar, yumuşak yapay duyusal sistemlerde temel bileşenlerdir. Esnek elektronikteki son gelişmelere rağmen, çoğu elektrot ya desen çözünürlüğü ya da yüksek viskoziteli süper elastik malzemelerle mürekkep püskürtmeli baskı yeteneği ile sınırlıdır. Bu yazıda, elastik iletken polimer kompozitlerin (ECPC’ler) litografik olarak kabartılmış mikroakışkan kanallara kazınmasıyla elde edilebilecek mikrokanal tabanlı gerilebilir kompozit elektrotları üretmek için basit bir strateji sunuyoruz. ECPC’ler, bir polidimetilsiloksan (PDMS) matrisinde karbon nanotüplerin (CNT’ler) düzgün bir şekilde dağılmasını sağlayan uçucu bir çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmıştır. Geleneksel üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında, önerilen teknik, yüksek viskoziteli bulamaç ile iyi tanımlanmış gerilebilir elektrotların hızlı bir şekilde üretilmesini kolaylaştırabilir. Bu çalışmadaki elektrotlar tamamen elastomerik malzemelerden oluştuğundan, ECPC’ler tabanlı elektrotlar ile PDMS tabanlı substrat arasında, mikrokanal duvarlarının arayüzlerinde güçlü ara bağlantılar oluşturulabilir, bu da elektrotların yüksek gerilme gerinimleri altında mekanik sağlamlık sergilemesini sağlar. Ek olarak, elektrotların mekanik-elektrik tepkisi de sistematik olarak incelenmiştir. Son olarak, bir dielektrik silikon köpük ve bir interdijitasyonlu elektrot (IDE) tabakasının birleştirilmesiyle yumuşak bir basınç sensörü geliştirildi ve bu, yumuşak robotik dokunsal algılama uygulamalarında basınç sensörleri için büyük bir potansiyel gösterdi.
Introduction
Yumuşak basınç sensörleri, pnömatik robotik tutucular1, giyilebilir elektronikler2, insan-makine arayüz sistemleri3 gibi uygulamalarda geniş çapta araştırılmıştır. Bu tür uygulamalarda, duyusal sistem, keyfi eğrisel yüzeylerle konformal temas sağlamak için esneklik ve gerilebilirlik gerektirir. Bu nedenle, aşırı deformasyon koşulları altında tutarlı işlevsellik sağlamak için substrat, dönüştürücü eleman ve elektrot dahil olmak üzere tüm temel bileşenlerin kullanılmasını gerektirir4. Ayrıca, yüksek algılama performansını korumak için, elektrik algılama sinyallerinde paraziti önlemek için yumuşak elektrotlardaki değişiklikleri minimum seviyede tutmak önemlidir5.
Yumuşak basınç sensörlerinin temel bileşenlerinden biri olarak, yüksek gerilim ve gerinim seviyelerini sürdürebilen gerilebilir elektrotlar, cihazın kararlı iletken yolları ve empedans özelliklerini koruması için çok önemlidir 6,7. Mükemmel performansa sahip yumuşak elektrotlar genellikle 1) mikrometre ölçeğinde yüksek uzamsal çözünürlüğe ve 2) alt tabakaya güçlü bir şekilde yapışarak yüksek gerilebilirliğe sahiptir ve bunlar, giyilebilirbir boyutta 8 boyutunda yüksek oranda entegre yumuşak elektronikler sağlamak için vazgeçilmez özelliklerdir. Bu nedenle, mürekkep püskürtmeli baskı, serigrafi, sprey baskı ve transfer baskı gibi yukarıdaki özelliklere sahip yumuşak elektrotlar geliştirmek için son zamanlarda çeşitli stratejiler önerilmiştir. 9. Mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi6, basit imalat, maskeleme gereksinimi olmaması ve düşük miktarda malzeme atığı avantajları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak mürekkep viskozitesi açısından sınırlamalar nedeniyle yüksek çözünürlüklü desen elde etmek zordur. Serigrafi baskı10 ve sprey baskı11, alt tabaka üzerinde gölge maskesi gerektiren basit ve uygun maliyetli desen yöntemleridir. Bununla birlikte, maskeyi yerleştirme veya çıkarma işlemi, desenin netliğini azaltabilir. Transfer baskı4’ün yüksek çözünürlüklü baskı elde etmenin umut verici bir yolu olduğu bildirilmiş olsa da, bu yöntem karmaşık bir prosedürden ve zaman alıcı bir baskı sürecinden muzdariptir. Ayrıca, bu modelleme yöntemleriyle üretilen yumuşak elektrotların çoğunun, substrattan delaminasyon gibi başka dezavantajları da vardır.
Burada, mikroakışkan kanal konfigürasyonlarına dayanan uygun maliyetli ve yüksek çözünürlüklü yumuşak elektrotların hızlı üretimi için yeni bir baskı yöntemi sunuyoruz. Diğer geleneksel imalat yöntemleriyle karşılaştırıldığında, önerilen strateji, iletken malzeme olarak elastik iletken polimer kompozitleri (ECPC’ler) ve elektrot izlerini modellemek için litografik olarak kabartmalı mikroakışkan kanalları kullanır. ECPC’lerin bulamacı, çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanır ve bir polidimetilsiloksan (PDMS) matrisinde iyi dağılmış ağırlıkça% 7 karbon nanotüplerden (CNT’ler) oluşur. ECPC’lerin bulamacını mikroakışkan kanala kazıyarak, litografik modelleme ile tanımlanan yüksek çözünürlüklü elektrotlar üretilebilir. Ek olarak, elektrot esas olarak PDMS’ye dayandığından, ECPCs bazlı elektrot ile PDMS substratı arasındaki arayüzde güçlü bir bağ oluşturulur. Böylece, elektrot PDMS substratı kadar yüksek bir gerilme seviyesini koruyabilir. Deneysel sonuçlar, önerilen gerilebilir elektrotun% 30’a kadar eksenel suşlara doğrusal olarak yanıt verebildiğini ve 0-400 kPa’lık yüksek basınç aralığında mükemmel stabilite sergileyebildiğini doğrulamaktadır, bu da bu yöntemin kapasitif basınç sensörlerinde yumuşak elektrotların üretilmesi için büyük potansiyelini göstermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde, gerilebilir elektrotlar için yeni bir mikroakışkan kanal tabanlı baskı yöntemi gösterdik. Elektrotun iletken malzemesi olan ECPC’lerin bulamacı, CNT’lerin PDMS matrisine iyi dağılmasını sağlayan çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanabilir, böylece PDMS substratı kadar yüksek bir gerilebilirlik sergileyen iletken bir polimer oluşturur.
Kazıma işleminde, ECPC’lerin bulamacı bir tıraş bıçağı yardımıyla PDMS mikroakışkan kanalına hızla dol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Grant 62273304 altındaki Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
