基于微流控通道的软电极及其在电容式压力传感中的应用

Summary

柔性电极在软机器人和可穿戴电子产品中具有广泛的应用。该协议展示了一种通过光刻定义的微流体通道 制造 高分辨率高度可拉伸电极的新策略，这为未来的高性能软压力传感器铺平了道路。

Abstract

柔性和可拉伸电极是软人工感觉系统中的重要组成部分。尽管柔性电子学最近取得了进展，但大多数电极要么受到图案分辨率的限制，要么受到使用高粘度超弹性材料喷墨打印能力的限制。在本文中，我们提出了一种简单的策略来制备基于微通道的可拉伸复合电极，这可以通过将弹性导电聚合物复合材料（ECPCs）刮入光刻压花微流体通道来实现。采用挥发性溶剂蒸发法制备了ECPCs，实现了碳纳米管（CNTs）在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中的均匀分散。与传统的制造方法相比，所提出的技术可以促进使用高粘度浆料快速制造定义明确的可拉伸电极。由于本研究中的电极由全弹性材料组成，因此在微通道壁的界面处，基于ECPC的电极和基于PDMS的基板之间可以形成强的互连，这使得电极在高拉伸应变下表现出机械鲁棒性。此外，还系统地研究了电极的机械电响应。最后，将电介质有机硅泡沫和叉指电极（IDE）层相结合，开发了一种软压力传感器，这证明了压力传感器在软机器人触觉传感应用中的巨大潜力。

Introduction

软压力传感器在气动机器人抓手¹、可穿戴电子产品²、人机界面系统³等应用中得到了广泛的探索。在此类应用中，传感系统需要柔韧性和拉伸性，以确保与任意曲线表面的保形接触。因此，它需要所有基本组件，包括基板、转导元件和电极，以便在极端变形条件下提供一致的功能⁴。此外，为了保持高传感性能，必须将软电极的变化保持在最小水平，以避免对电^{传感信号的}干扰5。

作为软压力传感器的核心组件之一，能够承受高应力和应变水平的可拉伸电极对于器件保持稳定的导电通路和^{阻抗特性至关重要}6^，7。具有优异性能的软电极通常具有1）微米级的高空间分辨率和2）高拉伸性，与基板的粘合性强，这些是实现可^{穿戴尺寸高度}集成的软电子元件不可或缺的特性8。因此，近年来提出了各种策略来开发具有上述性能的软电极，例如喷墨印刷，丝网印刷，喷雾印刷和转移印刷等。⁹.喷墨打印方法⁶因其制造简单，无遮蔽要求，材料浪费量少的优点而得到广泛应用，但由于油....

Protocol

1. ECPCS浆料的合成

1. 将碳纳米管以1：30的重量比分散到甲苯溶剂中，并以1：1的重量比用甲苯稀释PDMS碱。
   注意：整个实验过程（ 如图1所示）应在通风良好的通风橱中进行。
2. 在室温下磁力搅拌CNT /甲苯悬浮液和PDMS /甲苯溶液1小时。
   注意：此步骤允许CNT在以下步骤中很好地分散到PDMS矩阵中。
3. 将碳纳米管/甲苯悬浮液和PDMS/甲苯溶液混合，形成液态碳纳米管/PDMS/甲苯混合物，并在80°C的加热板上磁力搅拌该混合物以蒸发溶剂（甲苯）。
   注意：溶剂的蒸发会增加溶液粘度，需要精确控制，以促进下一步的混合过程。溶剂完全蒸发所需的时间为2小时。
4. 将PDMS固化剂以10：1的重量比添加到CNT/PDMS/甲苯混合物中。
   注意：在此阶段，ECPCs浆料的合成已完成。

2. 基于微流控通道的可拉伸电极的制备

1. 使用传统的光刻技术在Si晶片上制备具有不同图案的微流体通道的SU-8基模具。
   注意：模具的光刻工艺遵循所用光刻胶数据表中建议的标准方法;模具的厚度约为100μm，而所有迹线结构均使用50μm，100μm和200μm三种不同的线宽。
2. 通过将模具浸入（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷溶液中，....

Discussion

在该协议中，我们已经展示了一种用于可拉伸电极的新型基于微流控通道的打印方法。电极的导电材料ECPCs浆料可以通过溶剂蒸发法制备，该方法允许CNT很好地分散到PDMS基质中，从而形成具有与PDMS基板一样高的拉伸性的导电聚合物。

在刮削过程中，ECPC浆液在剃须刀片的帮助下快速填充到PDMS微流体通道中。因此，浆料的粘度在刮削操作中起着至关重要的作用。ECPC浆料的较低?.......

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