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 Erfassungsleist....

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 z....

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