الأقطاب الكهربائية اللينة القائمة على قناة الموائع الدقيقة وتطبيقاتها في استشعار الضغط السعوي

Summary

الأقطاب الكهربائية المرنة لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في الروبوتات اللينة والإلكترونيات القابلة للارتداء. يوضح البروتوكول الحالي استراتيجية جديدة لتصنيع أقطاب كهربائية قابلة للتمدد بدرجة عالية ودقة عالية عبر قنوات الموائع الدقيقة المحددة بالطباعة الحجرية ، مما يمهد الطريق لأجهزة استشعار الضغط الناعم عالية الأداء في المستقبل.

Abstract

تعتبر الأقطاب الكهربائية المرنة والقابلة للتمدد مكونات أساسية في الأنظمة الحسية الاصطناعية الناعمة. على الرغم من التطورات الحديثة في الإلكترونيات المرنة ، فإن معظم الأقطاب الكهربائية إما مقيدة بدقة الزخرفة أو قدرة الطباعة النافثة للحبر بمواد فائقة المرونة عالية اللزوجة. في هذا البحث ، نقدم استراتيجية بسيطة لتصنيع أقطاب كهربائية مركبة قابلة للتمدد تعتمد على القنوات الدقيقة ، والتي يمكن تحقيقها عن طريق كشط مركبات البوليمر الموصلة المرنة (ECPCs) في قنوات الموائع الدقيقة المنقوشة بالطباعة الحجرية. تم تحضير ECPCs بواسطة طريقة تبخير المذيبات المتطايرة ، والتي تحقق تشتتا موحدا للأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في مصفوفة polydimethylsiloxane (PDMS). بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية ، يمكن للتقنية المقترحة تسهيل التصنيع السريع لأقطاب كهربائية قابلة للتمدد محددة جيدا مع ملاط عالي اللزوجة. نظرا لأن الأقطاب الكهربائية في هذا العمل كانت مكونة من مواد مرنة بالكامل ، يمكن تشكيل روابط قوية بين الأقطاب الكهربائية القائمة على ECPCs والركيزة القائمة على PDMS في واجهات جدران القنوات الدقيقة ، مما يسمح للأقطاب الكهربائية بإظهار المتانة الميكانيكية تحت سلالات الشد العالية. بالإضافة إلى ذلك ، تمت دراسة الاستجابة الميكانيكية والكهربائية للأقطاب الكهربائية بشكل منهجي. أخيرا ، تم تطوير مستشعر الضغط الناعم من خلال الجمع بين رغوة السيليكون العازلة وطبقة الأقطاب الكهربائية المتداخلة (IDE) ، وهذا أظهر إمكانات كبيرة لأجهزة استشعار الضغط في تطبيقات استشعار اللمس الروبوتية الناعمة.

Introduction

تم استكشاف مستشعرات الضغط الناعم على نطاق واسع في تطبيقات مثل القابضات الروبوتية^{الهوائية 1} ، والإلكترونيات القابلة للارتداء² ، وأنظمة واجهة الإنسان^{والآلة 3} ، إلخ. في مثل هذه التطبيقات ، يتطلب النظام الحسي المرونة والقدرة على التمدد لضمان الاتصال المطابق مع الأسطح المنحنية التعسفية. لذلك ، فإنه يتطلب جميع المكونات الأساسية ، بما في ذلك الركيزة وعنصر التحويل والقطب الكهربائي ، لتوفير وظائف متسقة في ظل ظروف التشوه الشديدة⁴. علاوة على ذلك ، للحفاظ على أداء الاستشعار العالي ، من الضروري الحفاظ على التغييرات في الأقطاب الكهربائية اللينة إلى الحد الأدنى لتجنب التداخل في إشارات الاستشعار الكهربائية⁵.

كأحد المكونات الأساسية في مستشعرات الضغط الناعم ، تعد الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القادرة على الحفاظ على مستويات الضغط والإجهاد العالية ضرورية للجهاز للحفاظ على مسارات موصلة مستقرة وخصائص مقاومة ^6,7. عادة ما تمتلك الأقطاب الكهربائية اللينة ذات الأداء الممتاز 1) دقة مكانية عالية على مقياس ميكرومتر و 2) قابلية تمدد عالية مع ارتباط قوي بالركيزة ، وهذه خصائص لا غنى عنها لتمكين الإلكترونيات اللينة المتكاملة للغاية بحجم^يمكن ارتداؤه 8. لذلك ، تم اقتراح استراتيجيات مختلفة مؤخرا لتطوير أقطاب كهربائية ناعمة بالخصائص المذكورة أعلاه ، مثل الطباعة بالحبر النفاث ، وطباعة الشاشة ، والطباعة بالرش ، وطباعة النقل ، وما إلى ذلك. ⁹. تم استخدام طريقة الطباعة بنفث الحبر⁶ على نطاق واسع نظرا لمزاياها المتمثلة في التصنيع البسيط ، وعدم وجود متطلبات إخفاء ، وكمية منخفضة من نفايات المواد ، ولكن من الصعب تحقيق نقوش عالية الدقة بسبب القيود من حيث لزوجة الحبر. طباعة الشاشة¹⁰ والطباعة بالرش¹¹ هي طرق نقش بسيطة وفعالة من حيث التكلفة تتطلب قناع ظل على الركيزة. ومع ذلك ، فإن عملية وضع القناع أو إزالته يمكن أن تقلل من وضوح النقش. على الرغم من أن الطباعة المنقولة⁴ قد تم الإبلاغ عنها لتكون طريقة واعدة لتحقيق طباعة عالية الدقة ، إلا أن هذه الطريقة تعاني من إجراء معقد وعملية طباعة تستغرق وقتا طويلا. علاوة على ذلك ، فإن معظم الأقطاب الكهربائية اللينة التي تنتجها طرق الزخرفة هذه لها عيوب أخرى ، مثل التفريغ من الركيزة.

هنا ، نقدم طريقة طباعة جديدة للتصنيع السريع للأقطاب الكهربائية اللينة الفعالة من حيث التكلفة وعالية الدقة بناء على تكوينات قناة الموائع الدقيقة. بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية الأخرى ، تستخدم الإستراتيجية المقترحة مركبات البوليمر الموصلة المرنة (ECPCs) كمادة موصلة وقنوات الموائع الدقيقة المنقوشة بالطباعة الحجرية لتصميم آثار القطب. يتم تحضير ملاط ECPCs بطريقة تبخر المذيبات ويتكون من أنابيب نانوية كربونية بوزن 7٪ (CNTs) مشتتة جيدا في مصفوفة polydimethylsiloxane (PDMS). من خلال كشط ملاط ECPCs في قناة الموائع الدقيقة ، يمكن إنتاج أقطاب كهربائية عالية الدقة محددة بواسطة الزخرفة الحجرية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن القطب يعتمد بشكل أساسي على PDMS ، يتم إنشاء روابط قوية عند الواجهة بين القطب القائم على ECPCs والركيزة PDMS. وبالتالي ، يمكن للقطب الكهربائي الحفاظ على مستوى تمدد مرتفع مثل ركيزة PDMS. تؤكد النتائج التجريبية أن القطب الكهربائي القابل للتمدد المقترح يمكن أن يستجيب خطيا للإجهادات المحورية بنسبة تصل إلى 30٪ ويظهر ثباتا ممتازا في نطاق ضغط عال من 0-400 كيلو باسكال ، مما يشير إلى الإمكانات الكبيرة لهذه الطريقة لتصنيع أقطاب كهربائية ناعمة في مستشعرات الضغط السعوي ، وهو ما يتضح أيضا في هذا العمل.

Protocol

1. توليف ملاط ECPCs

1. تفريق الأنابيب النانوية الكربونية في مذيب التولوين بنسبة وزن 1:30 وتخفيف قاعدة PDMS مع التولوين بنسبة وزن 1: 1.
   ملاحظة: يجب تنفيذ الإجراء التجريبي بأكمله ، الموضح في الشكل 1 ، في غطاء دخان جيد التهوية.
2. حرك مغناطيسيا تعليق CNTs / التولوين ومحلول PDMS / التولوين في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة.
   ملاحظة: تسمح هذه الخطوة بتوزيع الأنابيب النانوية الكربونية بشكل جيد في مصفوفة PDMS في الخطوة التالية.
3. امزج معلق CNTs / التولوين ومحلول PDMS / التولوين لتشكيل خليط سائل CNTs / PDMS / التولوين ، وحرك هذا المزيج مغناطيسيا على لوح تسخين عند 80 درجة مئوية لتبخير المذيب (التولوين).
   ملاحظة: يزيد تبخر المذيب من لزوجة المحلول ، والتي يجب التحكم فيها بدقة لتسهيل عملية الخلط في الخطوة التالية. الوقت اللازم للتبخر الكامل للمذيبات هو 2 ساعة.
4. أضف عامل معالجة PDMS إلى خليط CNTs / PDMS / التولوين بنسبة وزن 10: 1.
   ملاحظة: في هذه المرحلة ، يكتمل توليف ملاط ECPCs.

2. تصنيع الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القائمة على قناة الموائع الدقيقة

1. قم بإعداد القالب القائم على SU-8 بأنماط مختلفة من قنوات الموائع الدقيقة باستخدام تقنية الطباعة الحجرية التقليدية على رقاقة Si.
   ملاحظة: تتبع عملية الطباعة الحجرية للقالب الطريقة القياسية المقترحة في ورقة بيانات المقاومة الضوئية المستخدمة ؛ يبلغ سمك القوالب حوالي 100 ميكرومتر ، بينما يتم استخدام ثلاثة خطوط مختلفة بعرض 50 ميكرومتر و 100 ميكرومتر و 200 ميكرومتر لجميع الهياكل النزرة.
2. قم بإجراء عملية إزالة الكبريت على قالب SU-8 عن طريق غمر القالب في محلول ثلاثي إيثوكسيسيلان (3-أمينوبروبيل).
   ملاحظة: تسهل هذه الخطوة تقشير PDMS.
3. امزج محلول PDMS الأساسي وعامل المعالجة بنسبة وزن 10: 1 ، وضع خليط PDMS غير المعالج في مجفف فراغ حتى تختفي جميع فقاعات الهواء.
4. صب الخليط الذي تم تفريغه على القالب المصنع في الخطوة 2.1 ، وضع القالب بمحلول PDMS غير المعالج على لوح تسخين عند 85 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لمعالجة PDMS تماما ونقل نمط القالب إلى فيلم PDMS المعالج. انزع طبقة PDMS بمساعدة شفرة.
5. قم بصب كمية صغيرة من ECPCs المحضرة في الخطوة 1 على سطح PDMS. كشط بعناية ملاط ECPCs على طول قناة الموائع الدقيقة المنقوشة بمساعدة شفرة حلاقة.
   ملاحظة: أثناء عملية طلاء الكشط هذه ، يتم احتجاز ملاط ECPCs عالي اللزوجة بشكل فعال في نمط microchannel ، ويمكن إزالة البقايا المتبقية على سطح PDMS بواسطة الشفرة في وقت واحد. إذا كان من الصعب كشط ملاط ECPCs في القناة الدقيقة ، فمن المستحسن تسخين العينة لزيادة لزوجتها. يمكن تكرار خطوة الطلاء هذه عدة مرات حتى يتم ملء القناة الدقيقة وتشكيل أقطاب كهربائية موصلة مستمرة.
6. سخني العينة على حرارة 70 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
7. قم بتوصيل الأسلاك النحاسية بطرفي الأقطاب الكهربائية المصنعة في الخطوة الأخيرة باستخدام عجينة فضية موصلة. يتم إغلاق بقعة التوصيل وحمايتها بواسطة مانع التسرب المطاطي اللاصق.
   ملاحظة: في هذه المرحلة ، اكتمل تصنيع الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القائمة على ECPCs ، كما هو موضح في الشكل 2.

3. تصنيع مستشعر الضغط السعوي

1. قم بتصنيع القطب الناعم بتصميم تأثير هامش متقاطع باستخدام الطريقة المقترحة (الخطوات 2.1-2.7).
   ملاحظة: تم ضبط الفجوة بين الأقطاب الكهربائية وعرض الخط لتصميم تأثير الهامش المتقاطع على أن يكونا متماثلين ، ويتم تصنيع تكوينين: 200 ميكرومتر و 300 ميكرومتر. قبل إجراء التسخين (الخطوة 2.6) ، والذي قد يعالج القطب ، يوصى بتنظيف سطح القطب بشريط لاصق لتجنب حدوث ماس كهربائي محتمل بين آثار القطبين في الهيكل المتقاطع ، حيث يمكن أن يلتصق الشريط الاسكتلندي بشكل انتقائي بملاط ECPCs المفرط غير المعالج المتبقي على سطح PDMS ، ويمكن الاحتفاظ ب ECPCs المملوءة في القناة الدقيقة.
2. إعداد قالب مطبوع 3D.
   ملاحظة: تم تصميم القالب ليكون له تجويف (بعرض 3 سم وطول 4 سم وارتفاع 10 مم) بفتحة يمكن سكب السيليكون السائل فيها.
3. امزج مكونين من رغوة السيليكون المرنة البلاتينية جيدا مع نسب الوزن للجزء أ: الجزء ب من 1: 1 و 6: 1 لتحضير طبقات عازلة من رغاوي السيليكون الناعمة بحجمين للمسام. يقلب بسرعة.
   ملاحظة: يمكن التحكم في المسامية عن طريق ضبط نسبة الخلط للجزء A والجزء B.
4. صب الخليط من الخطوة الأخيرة في القالب المصنوع في الخطوة 3.2.
5. استخدم لوحا به عدة ثقوب لتغطية فتحة القالب.
6. علاج الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة.
   ملاحظة: نظرا لأن رغوة السيليكون تتمدد إلى ضعفين إلى ثلاثة أضعاف حجمها الأصلي بعد المعالجة ، فإن الرغوة ستنمو من الثقوب ، مما يعني أن سمك الرغوة في التجويف سيكون مساويا لارتفاع تجويف القالب.
7. قطع رغوة السيليكون الزائدة التي تأتي من خلال الثقوب وإزالة اللوحة.
8. ضع الرغوة العازلة المحضرة أعلى طبقة القطب الناعم المتداخلة لإنهاء تصنيع مستشعر الضغط.
   ملاحظة: سمك رغوة السيليكون المعالجة 10 مم.

4. توصيف الإجهاد للقطب

1. قم بتثبيت القطب الكهربائي المصنع في الخطوة 2 بين المراحل المتحركة لمحرك متدرج معدل.
2. قم بتطبيق إجهاد أحادي المحور على القطب عن طريق التحكم في المرحلة المتحركة لتمديد القطب.
   ملاحظة: يمكن حساب قابلية التمدد المطبقة من إزاحة المرحلة المتحركة.
3. استخدم مقياس متعدد لتسجيل قياس المقاومة.

5. توصيف الضغط للقطب

1. قم بتصنيع قطب كهربائي متعرج بتصميم مكافئ للقطب الكهربائي المتقاطع (الخطوات 2.1-2.7).
   ملاحظة: بالنظر إلى أن أقطاب المشط الخاصة بالقطب المقسم لها أصابع متعددة ، فإن القطب المتعرج مصمم لتجميع الأصابع في مسار موصل واحد لتقييم الخصائص الكهربائية للقطب المرقم. يشتمل القطب الذي تم اختباره على ستة أصابع بعرض 300 ميكرومتر ، والتباعد بين الأصابع 2 مم.
2. قم بتجميع منصة تحميل الضغط عن طريق توصيل قضيب تحميل مطبوع ثلاثي الأبعاد (قطره 2.5 سم) ، ومستشعر ضغط قياسي ، ومرحلة تحريك محرك متدرج.
3. ضع القطب الكهربائي المصنع أسفل قضيب التحميل المطبوع 3D.
4. قم بالضغط على القطب عن طريق التحكم في مرحلة الحركة لدفع قضيب التحميل الذي يتحرك عموديا نحو القطب بمسافة مبرمجة.
   ملاحظة: يمكن التحكم في الضغط عن طريق ضبط إزاحة المرحلة المتحركة ، ويتم حساب الضغط القياسي عن طريق قياس القوة من مستشعر القوة القياسي.
5. استخدم مقياس متعدد لتسجيل قياس المقاومة.

6. توصيف الضغط لمستشعر الضغط السعوي

1. استخدم نفس المنصة كما في الخطوة 5 لتطبيق الضغط على مستشعر الضغط السعوي المصنع في الخطوة 3.
2. استخدم مقياس LCR لتسجيل قياس السعة.
   ملاحظة: يتم قياس السعة عند تردد اختبار 1 كيلو هرتز.

النتائج

باتباع البروتوكول ، يمكن تصميم ECPCs عبر قناة الموائع الدقيقة ، مما يؤدي إلى تكوين أقطاب كهربائية قابلة للتمدد بدقة عالية. يوضح الشكلان 3 أ ، ب صورا لأقطاب كهربائية ناعمة ذات تصميمات تتبع ودقة طباعة مختلفة. يوضح الشكل 3C عرض الخطوط المختلفة للأقطاب ال?...

Discussion

في هذا البروتوكول ، أظهرنا طريقة طباعة جديدة قائمة على قناة الموائع الدقيقة للأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد. يمكن تحضير المادة الموصلة للقطب ، ملاط ECPCs ، بواسطة طريقة تبخر المذيبات ، والتي تسمح بتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية جيدا في مصفوفة PDMS ، وبالتالي تشكيل بوليمر موصل يظهر قابل?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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