Électrodes souples à base de canaux microfluidiques et leur application dans la détection capacitive de pression

Résumé

Les électrodes flexibles ont un large éventail d’applications dans la robotique douce et l’électronique portable. Le protocole actuel démontre une nouvelle stratégie pour fabriquer des électrodes hautement extensibles à haute résolution via des canaux microfluidiques définis lithographiquement, ce qui ouvre la voie à de futurs capteurs de pression douce haute performance.

Résumé

Les électrodes flexibles et extensibles sont des composants essentiels des systèmes sensoriels artificiels souples. Malgré les progrès récents de l’électronique flexible, la plupart des électrodes sont limitées par la résolution des motifs ou la capacité de l’impression à jet d’encre avec des matériaux super-élastiques à haute viscosité. Dans cet article, nous présentons une stratégie simple pour fabriquer des électrodes composites extensibles à base de microcanaux, qui peuvent être obtenues en grattant des composites polymères conducteurs élastiques (ECPC) dans des canaux microfluidiques lithographiquement gaufrés. Les ECPC ont été préparés par une méthode d’évaporation de solvants volatils, qui permet d’obtenir une dispersion uniforme de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS). Par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles, la technique proposée peut faciliter la fabrication rapide d’électrodes extensibles bien définies avec une suspension à haute viscosité. Étant donné que les électrodes de ce travail étaient constituées de matériaux entièrement élastomères, de fortes liaisons peuvent être formées entre les électrodes à base d’ECPC et le substrat à base de PDMS aux interfaces des parois des microcanaux, ce qui permet aux électrodes de présenter une robustesse mécanique sous des contraintes de traction élevées. De plus, la réponse mécanique-électrique des électrodes a également été systématiquement étudiée. Enfin, un capteur de pression douce a été développé en combinant une mousse de silicone diélectrique et une couche d’électrodes interdigitées (IDE), ce qui a démontré un grand potentiel pour les capteurs de pression dans les applications de détection tactile robotique douce.

Introduction

Les capteurs de pression douce ont été largement explorés dans des applications telles que les préhenseurs robotiques pneumatiques¹, l’électronique portable², les systèmes d’interface homme-machine³, etc. Dans de telles applications, le système sensoriel nécessite flexibilité et extensibilité pour assurer un contact conforme avec des surfaces curvilignes arbitraires. Par conséquent, il nécessite tous les composants essentiels, y compris le substrat, l’élément transducteur et l’électrode, pour fournir une fonctionnalité cohérente dans des conditions de déformation extrêmes⁴. De plus, pour maintenir des performances de détection élevées, il est essentiel de maintenir les changements dans les électrodes souples au niveau minimum pour éviter les interférences dans les signaux de détection électrique⁵.

En tant que l’un des composants essentiels des capteurs de pression douce, les électrodes extensibles capables de supporter des niveaux de contrainte et de déformation élevés sont cruciales pour que le dispositif préserve des voies conductrices stables et des caractéristiques d’impédance ^6,7. Les électrodes souples avec d’excellentes performances possèdent généralement 1) une résolution spatiale élevée à l’échelle micrométrique et 2) une grande extensibilité avec une forte adhérence au substrat, et ce sont des caractéristiques indispensables pour permettre une électronique souple hautement intégrée dans une taille portable⁸. Par conséquent, diverses stratégies ont été proposées récemment pour développer des électrodes souples avec les propriétés ci-dessus, telles que l’impression à jet d’encre, la sérigraphie, l’impression par pulvérisation et l’impression par transfert, etc. ⁹. La méthode d’impression à jet d’encre⁶ a été largement utilisée en raison de ses avantages de fabrication simple, d’absence de masquage et de faible quantité de déchets de matériaux, mais il est difficile d’obtenir des motifs haute résolution en raison des limitations en termes de viscosité de l’encre. La sérigraphie¹⁰ et la pulvérisation¹¹ sont des méthodes de modelage simples et rentables qui nécessitent un masque d’ombre sur le substrat. Cependant, l’opération de placement ou de retrait du masque peut réduire la clarté du motif. Bien que l’impression par transfert⁴ ait été signalée comme un moyen prometteur d’obtenir une impression haute résolution, cette méthode souffre d’une procédure compliquée et d’un processus d’impression long. De plus, la plupart des électrodes souples produites par ces méthodes de modelage présentent d’autres inconvénients, tels que le délaminage du substrat.

Nous présentons ici une nouvelle méthode d’impression pour la fabrication rapide d’électrodes souples rentables et à haute résolution basées sur des configurations de canaux microfluidiques. Par rapport à d’autres méthodes de fabrication conventionnelles, la stratégie proposée utilise des composites polymères conducteurs élastiques (ECPC) comme matériau conducteur et des canaux microfluidiques lithographiquement gaufrés pour modeler les traces d’électrodes. La boue ECPC est préparée par la méthode d’évaporation du solvant et se compose de 7 % en poids de nanotubes de carbone (NTC) bien dispersés dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS). En raclant la boue ECPC dans le canal microfluidique, des électrodes à haute résolution définies par des motifs lithographiques peuvent être produites. De plus, comme l’électrode est principalement basée sur PDMS, une forte liaison est créée à l’interface entre l’électrode basée sur ECPC et le substrat PDMS. Ainsi, l’électrode peut supporter un niveau d’étirement aussi élevé que le substrat PDMS. Les résultats expérimentaux confirment que l’électrode extensible proposée peut répondre linéairement à des déformations axiales jusqu’à 30% et présenter une excellente stabilité dans une plage de haute pression de 0 à 400 kPa, indiquant le grand potentiel de cette méthode pour la fabrication d’électrodes souples dans des capteurs de pression capacitifs, ce qui est également démontré dans ce travail.

Protocole

1. Synthèse de la boue ECPC

1. Disperser les NTC dans un solvant toluène à un rapport pondéral de 1:30 et diluer la base PDMS avec du toluène à un rapport pondéral de 1:1.
   NOTA: L’ensemble de la procédure expérimentale, qui est illustrée à la figure 1, doit être effectué dans une hotte bien ventilée.
2. Agiter magnétiquement la suspension NTC/toluène et la solution PDMS/toluène à température ambiante pendant 1 h.
   REMARQUE: Cette étape permet aux NTC d’être bien dispersés dans la matrice PDMS à l’étape suivante.
3. Mélanger la suspension de NTC/toluène et la solution PDMS/toluène pour former un mélange liquide NTC/PDMS/toluène, et agiter magnétiquement ce mélange sur une plaque chauffante à 80 °C pour évaporer le solvant (toluène).
   REMARQUE: L’évaporation du solvant augmente la viscosité de la solution, qui doit être contrôlée avec précision pour faciliter le processus de mélange à l’étape suivante. Le temps nécessaire à l’évaporation complète du solvant est de 2 h.
4. Ajouter l’agent de durcissement PDMS dans le mélange NTC/PDMS/toluène à un rapport pondéral de 10:1.
   NOTE: A ce stade, la synthèse de la boue ECPC est terminée.

2. Fabrication des électrodes extensibles à base de canaux microfluidiques

1. Préparer le moule à base de SU-8 avec différents modèles de canaux microfluidiques en utilisant la technique de lithographie conventionnelle sur une plaquette de Si.
   NOTE: Le processus de lithographie du moule suit la méthode standard suggérée dans la fiche technique de la résine photosensible utilisée; L’épaisseur des moules est d’environ 100 μm, tandis que trois largeurs de ligne différentes de 50 μm, 100 μm et 200 μm sont utilisées pour toutes les structures de traces.
2. Effectuer un processus de silanisation sur le moule SU-8 en immergeant le moule dans la solution de (3-aminopropyl) triéthoxysilane.
   REMARQUE: Cette étape facilite le décollement du PDMS.
3. Mélanger la solution de base PDMS et l’agent de durcissement avec un rapport pondéral de 10:1, et placer le mélange PDMS non durci dans un dessiccateur sous vide jusqu’à ce que toutes les bulles d’air disparaissent.
4. Verser le mélange dégazé sur le moule fabriqué à l’étape 2.1 et placer le moule avec la solution PDMS non durcie sur une plaque chauffante à 85 °C pendant 1 h pour durcir complètement le PDMS et transférer le motif du moule sur le film PDMS durci. Décollez le calque PDMS à l’aide d’une lame.
5. Coulez une petite quantité des ECPC préparés à l’étape 1 sur la surface PDMS. Grattez soigneusement la boue ECPC le long du canal microfluidique gaufré à l’aide d’une lame de rasoir.
   REMARQUE: Au cours de ce processus de revêtement par éraflure, la boue ECPC très visqueuse est effectivement piégée dans le motif du microcanal, et les résidus laissés sur la surface PDMS peuvent être éliminés simultanément par la lame. S’il est difficile de gratter la boue ECPC dans le microcanal, il est recommandé de chauffer l’échantillon pour augmenter sa viscosité. Cette étape de revêtement peut être répétée plusieurs fois jusqu’à ce que le microcanal soit rempli et que des électrodes conductrices continues soient formées.
6. Chauffer l’échantillon à 70 °C pendant 2 h.
7. Connectez les fils de cuivre aux deux extrémités des électrodes fabriquées lors de la dernière étape à l’aide de pâte d’argent conductrice. Le point de connexion est en outre scellé et protégé par le mastic adhésif en caoutchouc.
   REMARQUE : À ce stade, la fabrication des électrodes extensibles à base d’ECPC est terminée, comme le montre la figure 2.

3. Fabrication du capteur de pression capacitif

1. Fabriquer l’électrode souple avec un dessin à effet de frange interdigité en utilisant la méthode proposée (étapes 2.1-2.7).
   REMARQUE: L’espace entre électrodes et la largeur de ligne de la conception à effet de frange interdigitée sont définis pour être les mêmes, et deux configurations sont fabriquées: 200 μm et 300 μm. Avant la procédure de chauffage (étape 2.6), qui peut durcir l’électrode, il est recommandé de nettoyer la surface de l’électrode avec du ruban adhésif pour éviter un court-circuit potentiel entre les deux traces d’électrode dans la structure interdigitée, car le ruban adhésif peut adhérer sélectivement à la boue excessive de PCUC non durcie restant sur la surface PDMS, et les ECPC remplis dans le microcanal peuvent être conservés.
2. Préparez un moule imprimé en 3D.
   REMARQUE: Le moule est conçu pour avoir une cavité (3 cm de large, 4 cm de long et une hauteur de 10 mm) avec une ouverture dans laquelle le silicone liquide peut être versé.
3. Mélangez soigneusement les deux composants de la mousse souple en silicone de platine avec les rapports de poids pour la partie A: Partie B de 1: 1 et 6: 1 pour préparer des couches diélectriques de mousses de silicone souple avec deux tailles de pores. Remuez rapidement.
   NOTE: La porosité peut être contrôlée en ajustant le rapport de mélange de la partie A et de la partie B.
4. Versez le mélange de la dernière étape dans le moule réalisé à l’étape 3.2.
5. Utilisez une planche avec plusieurs trous pour couvrir l’ouverture du moule.
6. Durcir le mélange à température ambiante pendant 1 h.
   REMARQUE: Étant donné que la mousse de silicone se dilate à deux à trois fois son volume d’origine après durcissement, la mousse sortira des trous, ce qui signifie que l’épaisseur de la mousse dans la cavité sera égale à la hauteur de la cavité du moule.
7. Coupez l’excès de mousse de silicone qui passe par les trous et retirez la planche.
8. Placez la mousse diélectrique préparée sur la couche d’électrode souple interdigitée pour finaliser la fabrication du capteur de pression.
   REMARQUE: L’épaisseur de la mousse de silicone durcie est de 10 mm.

4. Caractérisation de la contrainte pour l’électrode

1. Serrez l’électrode fabriquée à l’étape 2 entre les étapes mobiles d’un moteur pas à pas modifié.
2. Appliquez une contrainte uniaxiale à l’électrode en contrôlant l’étage mobile pour étirer l’électrode.
   REMARQUE: L’extensibilité appliquée peut être calculée à partir du déplacement de l’étage mobile.
3. Utilisez un multimètre pour enregistrer la mesure de résistance.

5. Caractérisation de la pression de l’électrode

1. Fabriquez une électrode en zigzag avec une conception équivalente à l’électrode interdigitée (étapes 2.1-2.7).
   REMARQUE: Étant donné que les électrodes en peigne de l’électrode interdigitée ont plusieurs doigts, l’électrode en zigzag est conçue pour assembler les doigts dans une seule voie conductrice afin d’évaluer les propriétés électriques de l’électrode interdigitée. L’électrode testée comprend six doigts d’une largeur de 300 μm et l’espacement entre les doigts est de 2 mm.
2. Assemblez la plate-forme de chargement sous pression en connectant une tige de chargement imprimée en 3D (2,5 cm de diamètre), un capteur de pression standard et l’étage mobile d’un moteur pas à pas.
3. Placez l’électrode fabriquée sous la tige de chargement imprimée en 3D.
4. Appliquez une pression sur l’électrode en contrôlant l’étage mobile pour entraîner la tige de chargement se déplaçant verticalement vers l’électrode par une distance programmée.
   REMARQUE: La pression peut être contrôlée en réglant le déplacement de l’étage mobile, et la pression standard est calculée par la mesure de force du capteur de force standard.
5. Utilisez un multimètre pour enregistrer la mesure de résistance.

6. Caractérisation de la pression pour le capteur de pression capacitif

1. Utilisez la même plate-forme qu’à l’étape 5 pour appliquer une pression au capteur de pression capacitif fabriqué à l’étape 3.
2. Utilisez un compteur LCR pour enregistrer la mesure de capacité.
   NOTE: La capacité est mesurée à une fréquence d’essai de 1 kHz.

Résultats

En suivant le protocole, les ECPC peuvent être modelés via le canal microfluidique, ce qui conduit à la formation d’électrodes extensibles à haute résolution. Les figures 3A, B montrent des photographies d’électrodes souples avec différents dessins de traces et résolutions d’impression. La figure 3C montre les différentes largeurs de ligne des électrodes fabriquées, y compris 50 μm, 100 μm et 200 μm. La résistance de chaque...

Discussion

Dans ce protocole, nous avons démontré une nouvelle méthode d’impression par canal microfluidique pour les électrodes extensibles. Le matériau conducteur de l’électrode, la boue ECPC, peut être préparé par la méthode d’évaporation du solvant, ce qui permet aux NTC d’être bien dispersés dans la matrice PDMS, formant ainsi un polymère conducteur qui présente une extensibilité aussi élevée que le substrat PDMS.

Dans le processus de grattage, la boue ECPC est rapidement r...

matériels

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