Mikrofluidische kanalbasierte Weichelektroden und ihre Anwendung in der kapazitiven Druckmessung

Zusammenfassung

Flexible Elektroden haben ein breites Anwendungsspektrum in der Softrobotik und der tragbaren Elektronik. Das vorliegende Protokoll demonstriert eine neue Strategie zur Herstellung hochdehnbarer Elektroden mit hoher Auflösung über lithographisch definierte mikrofluidische Kanäle, die den Weg für zukünftige Hochleistungs-Weichdrucksensoren ebnet.

Zusammenfassung

Flexible und dehnbare Elektroden sind wesentliche Bestandteile weicher künstlicher Sinnessysteme. Trotz der jüngsten Fortschritte in der flexiblen Elektronik sind die meisten Elektroden entweder durch die Auflösung der Strukturierung oder die Fähigkeit des Tintenstrahldrucks mit hochviskosen superelastischen Materialien eingeschränkt. In diesem Artikel stellen wir eine einfache Strategie zur Herstellung von Mikrokanal-basierten dehnbaren Kompositelektroden vor, die durch das Abkratzen von elastischen leitfähigen Polymerkompositen (ECPCs) in lithographisch geprägte mikrofluidische Kanäle erreicht werden kann. Die ECPCs wurden durch eine Verdampfungsmethode mit flüchtigen Lösungsmitteln hergestellt, die eine gleichmäßige Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Matrix erreicht. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsmethoden kann die vorgeschlagene Technik die schnelle Herstellung von gut definierten dehnbaren Elektroden mit hochviskoser Aufschlämmung erleichtern. Da die Elektroden in dieser Arbeit aus rein elastomeren Materialien bestehen, können an den Grenzflächen der Mikrokanalwände starke Verbindungen zwischen den ECPCs-basierten Elektroden und dem PDMS-basierten Substrat gebildet werden, wodurch die Elektroden unter hohen Zugbelastungen mechanische Robustheit aufweisen können. Darüber hinaus wurde auch das mechanisch-elektrische Verhalten der Elektroden systematisch untersucht. Schließlich wurde durch die Kombination eines dielektrischen Silikonschaums und einer IDE-Schicht (Interdigitated Electrodes) ein weicher Drucksensor entwickelt, der ein großes Potenzial für Drucksensoren in taktilen Sensoranwendungen für weiche Roboter zeigte.

Einleitung

Weichdrucksensoren sind in Anwendungen wie pneumatischen Robotergreifern¹, tragbarer Elektronik², Mensch-Maschine-Schnittstellensystemen³ usw. weit verbreitet. In solchen Anwendungen erfordert das sensorische System Flexibilität und Dehnbarkeit, um einen konformen Kontakt mit beliebigen krummlinigen Oberflächen zu gewährleisten. Daher sind alle wesentlichen Komponenten, einschließlich des Substrats, des Wandlerelements und der Elektrode, erforderlich, um eine gleichbleibende Funktionalität unter extremen Verformungsbedingungen^{zu gewährleisten 4}. Um eine hohe Erfassungsleistung aufrechtzuerhalten, ist es außerdem wichtig, die Änderungen in den weichen Elektroden auf ein Minimum zu beschränken, um Interferenzen in den elektrischen Erfassungssignalen⁵ zu vermeiden.

Als eine der Kernkomponenten von Weichdrucksensoren sind dehnbare Elektroden, die hohen Spannungs- und Dehnungsniveaus standhalten können, entscheidend für das Gerät, um stabile Leiterbahnen und Impedanzeigenschaften zu erhalten ^6,7. Weiche Elektroden mit hervorragender Leistung besitzen in der Regel 1) eine hohe räumliche Auflösung im Mikrometerbereich und 2) eine hohe Dehnbarkeit mit starker Bindung an das Substrat, und dies sind unverzichtbare Eigenschaften, um eine hochintegrierte weiche Elektronik in einer tragbaren Größe⁸ zu ermöglichen. Daher wurden in letzter Zeit verschiedene Strategien vorgeschlagen, um weiche Elektroden mit den oben genannten Eigenschaften zu entwickeln, wie z. B. Tintenstrahldruck, Siebdruck, Sprühdruck und Transferdruck usw. ⁹. Das Tintenstrahldruckverfahren⁶ ist aufgrund seiner Vorteile der einfachen Herstellung, der fehlenden Maskierungsanforderung und der geringen Menge an Materialabfall weit verbreitet, aber es ist schwierig, aufgrund von Einschränkungen in Bezug auf die Tintenviskosität eine hochauflösende Strukturierung zu erreichen. Der Siebdruck¹⁰ und der Sprühdruck¹¹ sind einfache und kostengünstige Strukturierungsverfahren, die eine Schattenmaske auf dem Substrat erfordern. Das Platzieren oder Entfernen der Maske kann jedoch die Klarheit der Musterung verringern. Obwohl der Transferdruck⁴ als vielversprechender Weg zum hochauflösenden Druck gilt, leidet diese Methode unter einem komplizierten Verfahren und einem zeitaufwändigen Druckprozess. Darüber hinaus weisen die meisten der durch diese Strukturierungsverfahren hergestellten weichen Elektroden weitere Nachteile auf, wie z. B. eine Delamination vom Substrat.

In dieser Arbeit stellen wir ein neuartiges Druckverfahren zur schnellen Herstellung kostengünstiger und hochauflösender weicher Elektroden vor, die auf mikrofluidischen Kanalkonfigurationen basieren. Im Vergleich zu anderen konventionellen Herstellungsmethoden verwendet die vorgeschlagene Strategie elastische leitfähige Polymerkomposite (ECPCs) als leitfähiges Material und lithographisch geprägte mikrofluidische Kanäle zur Strukturierung der Elektrodenleiterbahnen. Die ECPCs-Aufschlämmung wird nach der Lösungsmittelverdampfungsmethode hergestellt und besteht aus 7 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die in einer Polydimethylsiloxan-Matrix (PDMS) gut dispergiert sind. Durch das Abkratzen des ECPCs-Slurry in den mikrofluidischen Kanal können hochauflösende Elektroden hergestellt werden, die durch lithographische Strukturierung definiert sind. Da die Elektrode hauptsächlich auf PDMS basiert, entsteht außerdem eine starke Bindung an der Grenzfläche zwischen der ECPCs-basierten Elektrode und dem PDMS-Substrat. So kann die Elektrode ein Dehnungsniveau aushalten, das so hoch ist wie das PDMS-Substrat. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die vorgeschlagene dehnbare Elektrode linear auf axiale Dehnungen von bis zu 30% reagieren kann und eine ausgezeichnete Stabilität in einem Hochdruckbereich von 0-400 kPa aufweist, was auf das große Potenzial dieser Methode zur Herstellung weicher Elektroden in kapazitiven Drucksensoren hinweist, das auch in dieser Arbeit demonstriert wird.

Protokoll

1. Synthese des ECPCs-Slurrys

1. Dispergieren Sie die CNTs in einem Gewichtsverhältnis von 1:30 in einem Toluollösungsmittel und verdünnen Sie die PDMS-Base mit Toluol im Gewichtsverhältnis 1:1.
   HINWEIS: Der gesamte Versuchsablauf, der in Abbildung 1 dargestellt ist, sollte in einem gut belüfteten Abzug durchgeführt werden.
2. Die CNTs/Toluol-Suspension und die PDMS/Toluol-Lösung bei Raumtemperatur 1 h magnetisch umrühren.
   HINWEIS: Mit diesem Schritt können die CNTs im folgenden Schritt gut in der PDMS-Matrix verteilt werden.
3. Mischen Sie die CNTs/Toluol-Suspension und die PDMS/Toluol-Lösung zu einem flüssigen CNTs/PDMS/Toluol-Gemisch und rühren Sie dieses Gemisch auf einer Heizplatte bei 80 °C magnetisch um, um das Lösungsmittel (Toluol) zu verdampfen.
   HINWEIS: Die Verdampfung des Lösungsmittels erhöht die Viskosität der Lösung, die genau gesteuert werden muss, um den Mischprozess im nächsten Schritt zu erleichtern. Die Zeit, die für die vollständige Verdampfung des Lösungsmittels benötigt wird, beträgt 2 h.
4. PDMS-Härter in einem Gewichtsverhältnis von 10:1 in das CNTs/PDMS/Toluol-Gemisch geben.
   HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt ist die Synthese der ECPCs-Aufschlämmung abgeschlossen.

2. Herstellung der mikrofluidischen kanalbasierten dehnbaren Elektroden

1. Bereiten Sie die SU-8-basierte Form mit verschiedenen Mustern mikrofluidischer Kanäle unter Verwendung der konventionellen Lithographietechnik auf einem Si-Wafer vor.
   HINWEIS: Der Lithographieprozess der Form folgt der Standardmethode, die im Datenblatt des verwendeten Fotolacks vorgeschlagen wird. Die Dicke der Formen beträgt etwa 100 μm, während für alle Leiterbahnstrukturen drei verschiedene Linienbreiten von 50 μm, 100 μm und 200 μm verwendet werden.
2. Führen Sie einen Silanisierungsprozess an der SU-8-Form durch, indem Sie die Form in die (3-Aminopropyl)triethoxysilan-Lösung eintauchen.
   HINWEIS: Dieser Schritt erleichtert das Abziehen des PDMS.
3. Mischen Sie die PDMS-Basislösung und den Härter mit einem Gewichtsverhältnis von 10:1 und geben Sie die ungehärtete PDMS-Mischung in einen Vakuum-Exsikkator, bis alle Luftblasen verschwunden sind.
4. Gießen Sie die entgaste Mischung auf die in Schritt 2.1 hergestellte Form und stellen Sie die Form mit der nicht ausgehärteten PDMS-Lösung für 1 h auf eine Heizplatte bei 85 °C, um das PDMS vollständig auszuhärten und das Muster der Form auf die ausgehärtete PDMS-Folie zu übertragen. Ziehen Sie die PDMS-Schicht mit Hilfe einer Klinge ab.
5. Gießen Sie eine kleine Menge der in Schritt 1 vorbereiteten ECPCs auf die PDMS-Oberfläche. Kratzen Sie die ECPCs-Aufschlämmung vorsichtig mit Hilfe einer Rasierklinge entlang des geprägten mikrofluidischen Kanals.
   HINWEIS: Während dieses Kratzbeschichtungsprozesses wird die hochviskose ECPCs-Aufschlämmung effektiv im Mikrokanalmuster eingeschlossen, und Rückstände, die auf der PDMS-Oberfläche verbleiben, können gleichzeitig von der Klinge entfernt werden. Wenn es schwierig ist, die ECPCs-Aufschlämmung in den Mikrokanal zu kratzen, wird empfohlen, die Probe zu erhitzen, um ihre Viskosität zu erhöhen. Dieser Beschichtungsschritt kann mehrmals wiederholt werden, bis der Mikrokanal gefüllt ist und kontinuierlich leitende Elektroden gebildet sind.
6. Erhitzen Sie die Probe 2 h lang auf 70 °C.
7. Verbinden Sie Kupferdrähte mit leitfähiger Silberpaste an den beiden Enden der im letzten Schritt hergestellten Elektroden. Die Anschlussstelle ist zusätzlich abgedichtet und durch den selbstklebenden Gummidichtstoff geschützt.
   HINWEIS: In dieser Phase ist die Herstellung der ECPCs-basierten dehnbaren Elektroden abgeschlossen, wie in Abbildung 2 dargestellt.

3. Herstellung des kapazitiven Drucksensors

1. Die weiche Elektrode wird mit einem interdigitierten Streifeneffekt unter Verwendung der vorgeschlagenen Methode (Schritte 2.1-2.7) hergestellt.
   HINWEIS: Der Interelektrodenabstand und die Linienbreite des Designs mit interdigitalisiertem Streifeneffekt sind identisch, und es werden zwei Konfigurationen hergestellt: 200 μm und 300 μm. Vor dem Erhitzungsvorgang (Schritt 2.6), der die Elektrode aushärten kann, wird empfohlen, die Elektrodenoberfläche mit Klebeband zu reinigen, um einen möglichen Kurzschluss zwischen den beiden Elektrodenleiterbahnen in der interdigitierten Struktur zu vermeiden, da das Tesafilm selektiv an der übermäßigen ungehärteten ECPCs-Aufschlämmung haften kann, die auf der PDMS-Oberfläche verbleibt, und die in den Mikrokanal gefüllten ECPCs zurückgehalten werden können.
2. Bereiten Sie eine 3D-gedruckte Form vor.
   Anmerkungen: Die Form ist so konzipiert, dass sie einen Hohlraum (3 cm breit, 4 cm lang und mit einer Höhe von 10 mm) mit einer Öffnung hat, in die das flüssige Silikon gegossen werden kann.
3. Mischen Sie die beiden Komponenten des Platinsilikon-Weichschaums gründlich mit Gewichtsverhältnissen für Teil A:Teil B von 1:1 und 6:1, um dielektrische Schichten aus weichen Silikonschäumen mit zwei Porengrößen herzustellen. Schnell umrühren.
   Anmerkungen: Die Porosität kann durch Einstellen des Mischungsverhältnisses von Teil A und Teil B gesteuert werden.
4. Gießen Sie die Mischung aus dem letzten Schritt in die in Schritt 3.2 hergestellte Form.
5. Verwenden Sie ein Brett mit mehreren Löchern, um die Formöffnung abzudecken.
6. Die Mischung 1 Stunde bei Raumtemperatur aushärten lassen.
   Anmerkungen: Da sich der Silikonschaum nach dem Aushärten auf das Zwei- bis Dreifache seines ursprünglichen Volumens ausdehnt, wächst der Schaum aus den Löchern heraus, was bedeutet, dass die Dicke des Schaums in der Kavität gleich der Höhe der Formkavität ist.
7. Schneiden Sie den überschüssigen Silikonschaum ab, der durch die Löcher kommt, und entfernen Sie das Brett.
8. Legen Sie den vorbereiteten dielektrischen Schaum auf die interdigitalisierte weiche Elektrodenschicht, um die Herstellung des Drucksensors abzuschließen.
   Anmerkungen: Die Dicke des ausgehärteten Silikonschaums beträgt 10 mm.

4. Dehnungscharakterisierung für die Elektrode

1. Klemmen Sie die in Schritt 2 hergestellte Elektrode zwischen die beweglichen Stufen eines modifizierten Schrittmotors.
2. Üben Sie eine einachsige Dehnung auf die Elektrode aus, indem Sie den beweglichen Tisch steuern, um die Elektrode zu dehnen.
   HINWEIS: Die angewandte Dehnbarkeit kann aus der Verschiebung des beweglichen Tisches berechnet werden.
3. Verwenden Sie ein Multimeter, um die Widerstandsmessung aufzuzeichnen.

5. Druckcharakterisierung der Elektrode

1. Stellen Sie eine Zick-Zack-Elektrode her, die ein gleichwertiges Design wie die interdigitalisierte Elektrode aufweist (Schritte 2.1-2.7).
   Anmerkungen: In Anbetracht der Tatsache, dass die Kammelektroden der interdigitierten Elektrode mehrere Finger haben, ist die Zick-Zack-Elektrode so konzipiert, dass sie die Finger in einem einzigen leitenden Pfad zusammenfügt, um die elektrischen Eigenschaften der interdigitalisierten Elektrode zu bewerten. Die getestete Elektrode umfasst sechs Finger mit einer Breite von 300 μm, der Abstand zwischen den Fingern beträgt 2 mm.
2. Montieren Sie die Druckladeplattform, indem Sie eine 3D-gedruckte Ladestange (2,5 cm Durchmesser), einen Standard-Drucksensor und die bewegliche Stufe eines Schrittmotors verbinden.
3. Platzieren Sie die hergestellte Elektrode unter dem 3D-gedruckten Ladestab.
4. Üben Sie Druck auf die Elektrode aus, indem Sie die bewegliche Stufe steuern, um die Ladestange anzutreiben, die sich vertikal in Richtung der Elektrode um einen programmierten Abstand bewegt.
   Anmerkungen: Der Druck kann durch Einstellen der Verschiebung des beweglichen Tisches gesteuert werden, und der Standarddruck wird durch die Kraftmessung des Standardkraftsensors berechnet.
5. Verwenden Sie ein Multimeter, um die Widerstandsmessung aufzuzeichnen.

6. Druckcharakterisierung für den kapazitiven Drucksensor

1. Verwenden Sie dieselbe Plattform wie in Schritt 5, um Druck auf den kapazitiven Drucksensor auszuüben, der in Schritt 3 hergestellt wurde.
2. Verwenden Sie ein LCR-Messgerät, um die Kapazitätsmessung aufzuzeichnen.
   HINWEIS: Die Kapazität wird mit einer Prüffrequenz von 1 kHz gemessen.

Ergebnisse

Dem Protokoll folgend, können ECPCs über den mikrofluidischen Kanal strukturiert werden, was zur Bildung von dehnbaren Elektroden mit hoher Auflösung führt. Die Abbildungen 3A, B zeigen Fotografien von weichen Elektroden mit unterschiedlichen Leiterbahndesigns und Druckauflösungen. Abbildung 3C zeigt die unterschiedlichen Linienbreiten der hergestellten Elektroden, einschließlich 50 μm, 100 μm und 200 μm. Der Widerstand jeder Elektrode ...

Diskussion

In diesem Protokoll haben wir ein neuartiges mikrofluidisches Kanal-basiertes Druckverfahren für dehnbare Elektroden demonstriert. Das leitfähige Material der Elektrode, die ECPCs-Aufschlämmung, kann durch die Lösungsmittelverdampfungsmethode hergestellt werden, die es ermöglicht, die CNTs gut in der PDMS-Matrix zu dispergieren und so ein leitfähiges Polymer zu bilden, das eine Dehnbarkeit aufweist, die so hoch ist wie die des PDMS-Substrats.

Beim Abstreifen wird der ECPCs-Slurry mit Hil...

Materialien

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