Electrodos blandos basados en canales microfluídicos y su aplicación en la detección de presión capacitiva

Resumen

Los electrodos flexibles tienen una amplia gama de aplicaciones en robótica blanda y electrónica portátil. El protocolo actual demuestra una nueva estrategia para fabricar electrodos altamente estirables con alta resolución a través de canales microfluídicos definidos litográficamente, lo que allana el camino para futuros sensores de presión suave de alto rendimiento.

Resumen

Los electrodos flexibles y estirables son componentes esenciales en los sistemas sensoriales artificiales blandos. A pesar de los recientes avances en electrónica flexible, la mayoría de los electrodos están restringidos por la resolución del patrón o la capacidad de impresión de inyección de tinta con materiales superelásticos de alta viscosidad. En este documento, presentamos una estrategia simple para fabricar electrodos compuestos estirables basados en microcanales, que se pueden lograr raspando compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) en canales microfluídicos en relieve litográficamente. Los ECPC se prepararon mediante un método de evaporación de disolventes volátiles, que logra una dispersión uniforme de nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). En comparación con los métodos de fabricación convencionales, la técnica propuesta puede facilitar la fabricación rápida de electrodos estirables bien definidos con lodos de alta viscosidad. Dado que los electrodos en este trabajo estaban compuestos de materiales totalmente elastoméricos, se pueden formar fuertes interconexiones entre los electrodos basados en ECPC y el sustrato basado en PDMS en las interfaces de las paredes del microcanal, lo que permite que los electrodos exhiban robustez mecánica bajo altas tensiones de tracción. Además, también se estudió sistemáticamente la respuesta mecánico-eléctrica de los electrodos. Finalmente, se desarrolló un sensor de presión suave combinando una espuma de silicona dieléctrica y una capa de electrodos interdigitados (IDE), y esto demostró un gran potencial para los sensores de presión en aplicaciones de detección táctil robótica blanda.

Introducción

Los sensores de presión suave se han explorado ampliamente en aplicaciones como pinzas robóticas neumáticas¹, electrónica portátil², sistemas de interfaz hombre-máquina³, etc. En tales aplicaciones, el sistema sensorial requiere flexibilidad y capacidad de estiramiento para garantizar el contacto conforme con superficies curvilíneas arbitrarias. Por lo tanto, requiere que todos los componentes esenciales, incluidos el sustrato, el elemento transductor y el electrodo, proporcionen una funcionalidad consistente en condiciones extremas de deformación⁴. Además, para mantener un alto rendimiento de detección, es esencial mantener los cambios en los electrodos blandos al nivel mínimo para evitar interferencias en las señales de detección eléctrica⁵.

Como uno de los componentes centrales en los sensores de presión blanda, los electrodos estirables capaces de soportar altos niveles de tensión y deformación son cruciales para que el dispositivo preserve vías conductoras estables y características de impedancia ^6,7. Los electrodos blandos con excelente rendimiento generalmente poseen 1) alta resolución espacial a escala micrométrica y 2) alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato, y estas son características indispensables para permitir una electrónica blanda altamente integrada en un tamaño portátil⁸. Por lo tanto, recientemente se han propuesto varias estrategias para desarrollar electrodos blandos con las propiedades anteriores, como la impresión por chorro de tinta, la serigrafía, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, etc. ⁹. El método de impresión de inyección de tinta⁶ ha sido ampliamente utilizado debido a sus ventajas de fabricación simple, sin requisitos de enmascaramiento y una baja cantidad de desperdicio de material, pero es difícil lograr patrones de alta resolución debido a las limitaciones en términos de viscosidad de la tinta. La serigrafía¹⁰ y la impresión por pulverización¹¹ son métodos de modelado simples y rentables que requieren una máscara de sombra en el sustrato. Sin embargo, la operación de colocar o quitar la máscara puede reducir la claridad del patrón. Aunque se ha informado que la impresión por transferencia⁴ es una forma prometedora de lograr la impresión de alta resolución, este método sufre de un procedimiento complicado y un proceso de impresión que consume mucho tiempo. Además, la mayoría de los electrodos blandos producidos por estos métodos de patrón tienen otras desventajas, como la delaminación del sustrato.

Aquí, presentamos un novedoso método de impresión para la fabricación rápida de electrodos blandos rentables y de alta resolución basados en configuraciones de canales microfluídicos. En comparación con otros métodos de fabricación convencionales, la estrategia propuesta utiliza compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) como material conductor y canales microfluídicos en relieve litográficamente para modelar las trazas de electrodos. La suspensión ECPC se prepara por el método de evaporación con disolvente y consiste en un 7% en peso de nanotubos de carbono (CNT) bien dispersos en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Al raspar la suspensión de ECPC en el canal microfluídico, se pueden producir electrodos de alta resolución definidos por patrones litográficos. Además, dado que el electrodo se basa principalmente en PDMS, se crea una fuerte unión en la interfaz entre el electrodo basado en ECPC y el sustrato PDMS. Por lo tanto, el electrodo puede mantener un nivel de estiramiento tan alto como el sustrato PDMS. Los resultados experimentales confirman que el electrodo estirable propuesto puede responder linealmente a deformaciones axiales de hasta el 30% y exhibir una excelente estabilidad en un rango de alta presión de 0-400 kPa, lo que indica el gran potencial de este método para fabricar electrodos blandos en sensores de presión capacitivos, que también se demuestra en este trabajo.

Protocolo

1. Síntesis de los purines ECPCs

1. Dispersar los CNT en un disolvente de tolueno en una relación de peso de 1:30 y diluir la base PDMS con tolueno en una relación de peso de 1:1.
   NOTA: Todo el procedimiento experimental, que se muestra en la Figura 1, debe llevarse a cabo en una campana extractora bien ventilada.
2. Agitar magnéticamente la suspensión de CNTs/tolueno y la solución PDMS/tolueno a temperatura ambiente durante 1 h.
   NOTA: Este paso permite que los CNT estén bien dispersos en la matriz PDMS en el siguiente paso.
3. Mezclar la suspensión de CNT/tolueno y la solución de PDMS/tolueno para formar una mezcla líquida de CNT/PDMS/tolueno, y agitar magnéticamente esta mezcla en una placa calefactora a 80 °C para evaporar el disolvente (tolueno).
   NOTA: La evaporación del disolvente aumenta la viscosidad de la solución, que debe controlarse con precisión para facilitar el proceso de mezcla en el siguiente paso. El tiempo requerido para la evaporación completa del disolvente es de 2 h.
4. Añadir agente de curado PDMS a la mezcla de CNTs/PDMS/tolueno en una relación de peso de 10:1.
   NOTA: En esta etapa, la síntesis de la suspensión ECPCs está completa.

2. Fabricación de los electrodos estirables basados en canales microfluídicos

1. Prepare el molde basado en SU-8 con diferentes patrones de canales microfluídicos utilizando la técnica de litografía convencional en una oblea de Si.
   NOTA: El proceso de litografía del molde sigue el método estándar sugerido en la ficha técnica del fotoprotector utilizado; El grosor de los moldes es de aproximadamente 100 μm, mientras que se utilizan tres anchos de línea diferentes de 50 μm, 100 μm y 200 μm para todas las estructuras de traza.
2. Realice un proceso de silanización en el molde SU-8 sumergiendo el molde en la solución de trietoxisilano (3-aminopropil).
   NOTA: Este paso facilita el despegado del PDMS.
3. Mezcle la solución base de PDMS y el agente de curado con una relación de peso de 10:1, y coloque la mezcla de PDMS sin curar en un desecador al vacío hasta que desaparezcan todas las burbujas de aire.
4. Verter la mezcla desgasificada sobre el molde fabricado en el paso 2.1 y colocar el molde con la solución PDMS sin curar en una placa calefactora a 85 °C durante 1 h para curar completamente el PDMS y transferir el patrón del molde a la película PDMS curada. Despegue la capa PDMS con la ayuda de una cuchilla.
5. Coloque una pequeña cantidad de ECPC preparados en el paso 1 sobre la superficie del PDMS. Raspa cuidadosamente la suspensión ECPC a lo largo del canal microfluídico en relieve con la ayuda de una cuchilla de afeitar.
   NOTA: Durante este proceso de recubrimiento por raspado, la suspensión ECPC altamente viscosa queda atrapada efectivamente en el patrón de microcanal, y los residuos que quedan en la superficie del PDMS pueden ser eliminados por la cuchilla simultáneamente. Si es difícil raspar la suspensión de ECPC en el microcanal, se recomienda calentar la muestra para aumentar su viscosidad. Este paso de recubrimiento puede repetirse varias veces hasta que se llene el microcanal y se formen electrodos conductores continuos.
6. Calentar la muestra a 70 °C durante 2 h.
7. Conecte los cables de cobre a los dos extremos de los electrodos fabricados en el último paso utilizando pasta de plata conductora. El punto de conexión está sellado y protegido por el sellador adhesivo de goma.
   NOTA: En esta etapa, la fabricación de los electrodos estirables basados en ECPC está completa, como se muestra en la Figura 2.

3. Fabricación del sensor de presión capacitivo

1. Fabricar el electrodo blando con un diseño de efecto de franja interdigitado utilizando el método propuesto (pasos 2.1-2.7).
   NOTA: El espacio entre electrodos y el ancho de línea del diseño del efecto de franja interdigitado se establecen para ser los mismos, y se fabrican dos configuraciones: 200 μm y 300 μm. Antes del procedimiento de calentamiento (paso 2.6), que puede curar el electrodo, se recomienda limpiar la superficie del electrodo con cinta adhesiva para evitar un posible cortocircuito entre las dos trazas de electrodos en la estructura interdigitada, ya que la cinta adhesiva puede adherirse selectivamente a la excesiva suspensión de ECPC sin curar que queda en la superficie del PDMS, y los ECPC rellenados en el microcanal pueden retenerse.
2. Prepara un molde impreso en 3D.
   NOTA: El molde está diseñado para tener una cavidad (3 cm de ancho, 4 cm de largo y con una altura de 10 mm) con una abertura en la que se puede verter la silicona líquida.
3. Mezcle bien los dos componentes de la espuma flexible de silicona de platino con las proporciones de peso para la Parte A: Parte B de 1: 1 y 6: 1 para preparar capas dieléctricas de espumas de silicona suave con dos tamaños de poro. Revuelva rápidamente.
   NOTA: La porosidad se puede controlar ajustando la relación de mezcla de la Parte A y la Parte B.
4. Verter la mezcla del último paso en el molde realizado en el paso 3.2.
5. Use una tabla con varios agujeros para cubrir la abertura del molde.
6. Curar la mezcla a temperatura ambiente durante 1 h.
   NOTA: Dado que la espuma de silicona se expande a dos o tres veces su volumen original después del curado, la espuma crecerá fuera de los agujeros, lo que significa que el grosor de la espuma en la cavidad será igual a la altura de la cavidad del molde.
7. Corte el exceso de espuma de silicona que entra por los agujeros y retire la tabla.
8. Coloque la espuma dieléctrica preparada sobre la capa de electrodo blando interdigitado para finalizar la fabricación del sensor de presión.
   NOTA: El grosor de la espuma de silicona curada es de 10 mm.

4. Caracterización de la deformación del electrodo

1. Sujete el electrodo fabricado en el paso 2 entre las etapas móviles de un motor paso a paso modificado.
2. Aplique tensión uniaxial al electrodo controlando la etapa móvil para estirar el electrodo.
   NOTA: La capacidad de estiramiento aplicada se puede calcular a partir del desplazamiento de la etapa móvil.
3. Utilice un multímetro para registrar la medición de resistencia.

5. Caracterización de la presión del electrodo

1. Fabricar un electrodo en zig-zag con un diseño equivalente al electrodo interdigitado (pasos 2.1-2.7).
   NOTA: Teniendo en cuenta que los electrodos de peine del electrodo interdigitado tienen varios dedos, el electrodo en zig-zag está diseñado para ensamblar los dedos en una sola vía conductora para evaluar las propiedades eléctricas del electrodo interdigitado. El electrodo probado incluye seis dedos con un ancho de 300 μm, y el espacio entre los dedos es de 2 mm.
2. Ensamble la plataforma de carga de presión conectando una varilla de carga impresa en 3D (2,5 cm de diámetro), un sensor de presión estándar y la etapa móvil de un motor paso a paso.
3. Coloque el electrodo fabricado debajo de la barra de carga impresa en 3D.
4. Aplique presión al electrodo controlando la etapa móvil para impulsar la barra de carga que se mueve verticalmente hacia el electrodo por una distancia programada.
   NOTA: La presión se puede controlar ajustando el desplazamiento de la etapa móvil, y la presión estándar se calcula mediante la medición de fuerza del sensor de fuerza estándar.
5. Utilice un multímetro para registrar la medición de resistencia.

6. Caracterización de la presión para el sensor de presión capacitivo

1. Utilice la misma plataforma que en el paso 5 para aplicar presión al sensor de presión capacitivo fabricado en el paso 3.
2. Use un medidor LCR para registrar la medición de capacitancia.
   NOTA: La capacitancia se mide a una frecuencia de prueba de 1 kHz.

Resultados

Siguiendo el protocolo, los ECPC se pueden modelar a través del canal microfluídico, lo que conduce a la formación de electrodos estirables con una alta resolución. Las figuras 3A, B muestran fotografías de electrodos blandos con diferentes diseños de trazas y resoluciones de impresión. La Figura 3C muestra los diferentes anchos de línea de los electrodos fabricados, incluidos 50 μm, 100 μm y 200 μm. La resistencia de cada electrodo s...

Discusión

En este protocolo, hemos demostrado un nuevo método de impresión basado en canales microfluídicos para electrodos estirables. El material conductor del electrodo, la suspensión ECPC, se puede preparar mediante el método de evaporación del disolvente, que permite que los CNT se dispersen bien en la matriz PDMS, formando así un polímero conductor que exhibe una capacidad de estiramiento tan alta como el sustrato PDMS.

En el proceso de raspado, la suspensión ECPC se llena rápidamente en...

Materiales

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