אלקטרודות רכות מבוססות תעלה מיקרופלואידית ויישומן בחישת לחץ קיבולי

Summary

לאלקטרודות גמישות יש מגוון רחב של יישומים ברובוטיקה רכה ובאלקטרוניקה לבישה. הפרוטוקול הנוכחי מדגים אסטרטגיה חדשה לייצור אלקטרודות נמתחות מאוד ברזולוציה גבוהה באמצעות ערוצים מיקרופלואידים המוגדרים בליתוגרפיה, מה שסולל את הדרך לחיישני לחץ רך עתידיים בעלי ביצועים גבוהים.

Abstract

אלקטרודות גמישות ונמתחות הן רכיבים חיוניים במערכות חישה מלאכותיות רכות. למרות ההתקדמות האחרונה באלקטרוניקה גמישה, רוב האלקטרודות מוגבלות על ידי רזולוציית הדפוס או היכולת של הדפסת הזרקת דיו עם חומרים סופר-אלסטיים בעלי צמיגות גבוהה. במאמר זה, אנו מציגים אסטרטגיה פשוטה לייצור אלקטרודות מרוכבות נמתחות מבוססות מיקרו-ערוצים, אשר ניתן להשיג על ידי גירוד תרכובות פולימר מוליכות אלסטיות (ECPCs) לתעלות מיקרופלואידיות מובלטות ליתוגרפיות. ה-ECPCs הוכנו בשיטת אידוי ממסים נדיפים, המשיגה פיזור אחיד של ננו-צינוריות פחמן (CNT) במטריצה פולידימתילסילוקסאן (PDMS). בהשוואה לשיטות ייצור קונבנציונליות, הטכניקה המוצעת יכולה להקל על ייצור מהיר של אלקטרודות מוגדרות היטב הניתנות למתיחה עם תרחיף צמיגות גבוהה. מכיוון שהאלקטרודות בעבודה זו היו מורכבות מחומרים אלסטומריים לחלוטין, ניתן ליצור קשרי גומלין חזקים בין האלקטרודות מבוססות ECPCs לבין המצע מבוסס PDMS בממשקים של דפנות המיקרו-ערוצים, מה שמאפשר לאלקטרודות להפגין חוסן מכני תחת מתחים גבוהים. בנוסף, התגובה המכנית-חשמלית של האלקטרודות נחקרה גם היא באופן שיטתי. לבסוף, חיישן לחץ רך פותח על ידי שילוב של קצף סיליקון דיאלקטרי ושכבת אלקטרודות בין-ספרתיות (IDE), וזה הדגים פוטנציאל גדול לחיישני לחץ ביישומי חישה רובוטיים רכים.

Introduction

חיישני לחץ רך נחקרו באופן נרחב ביישומים כגון גריפרים רובוטיים פנאומטיים¹, אלקטרוניקה לבישה², מערכות ממשק אדם-מכונה³ וכו '. ביישומים כאלה, מערכת החישה דורשת גמישות ומתיחה כדי להבטיח מגע קונפורמי עם משטחים עקומים שרירותיים. לכן, הוא דורש את כל המרכיבים החיוניים, כולל המצע, אלמנט המתמר והאלקטרודה, כדי לספק פונקציונליות עקבית בתנאי עיוות קיצוניים⁴. יתר על כן, כדי לשמור על ביצועי חישה גבוהים, חיוני לשמור על השינויים באלקטרודות הרכות לרמה מינימלית כדי למנוע הפרעה באותות החישה החשמלית⁵.

כאחד מרכיבי הליבה בחיישני לחץ רך, אלקטרודות נמתחות המסוגלות לעמוד ברמות מתח ומאמץ גבוהות חיוניות למכשיר כדי לשמור על מסלולים מוליכים יציבים ומאפייני עכבה ^6,7. אלקטרודות רכות עם ביצועים מצוינים בדרך כלל בעלות 1) רזולוציה מרחבית גבוהה בקנה מידה מיקרומטרי 2) יכולת מתיחה גבוהה עם חיבור חזק למצע, ואלה הם מאפיינים חיוניים כדי לאפשר אלקטרוניקה רכה משולבת מאוד בגודל לביש⁸. לכן, לאחרונה הוצעו אסטרטגיות שונות לפיתוח אלקטרודות רכות בעלות התכונות הנ"ל, כגון הדפסת הזרקת דיו, הדפסת מסך, הדפסת ספריי והדפסת העברה ועוד. ⁹. שיטת הדפסת הזרקת דיו⁶ נמצאת בשימוש נרחב בשל יתרונותיה של ייצור פשוט, ללא דרישת מיסוך וכמות נמוכה של פסולת חומרים, אך קשה להשיג תבניות ברזולוציה גבוהה בשל מגבלות מבחינת צמיגות הדיו. הדפסת רשת¹⁰ והדפסת ספריי¹¹ הן שיטות דפוס פשוטות וחסכוניות הדורשות מסיכת צל על המצע. עם זאת, פעולת הנחת או הסרת המסכה עלולה להפחית את בהירות דוגמת המילוי. למרות שדווח כי הדפסת העברה⁴ היא דרך מבטיחה להשיג הדפסה ברזולוציה גבוהה, שיטה זו סובלת מהליך מסובך ומתהליך הדפסה הגוזל זמן. יתר על כן, לרוב האלקטרודות הרכות המיוצרות בשיטות דפוס אלה יש חסרונות אחרים, כגון דלמינציה מהמצע.

בזאת, אנו מציגים שיטת הדפסה חדשנית לייצור מהיר של אלקטרודות רכות חסכוניות ברזולוציה גבוהה המבוססות על תצורות תעלה מיקרופלואידית. בהשוואה לשיטות ייצור קונבנציונליות אחרות, האסטרטגיה המוצעת משתמשת בחומרים מרוכבים פולימריים מוליכים אלסטיים (ECPCs) כחומר מוליך ותעלות מיקרופלואידיות מובלטות ליתוגרפית כדי לעצב את עקבות האלקטרודות. תרחיף ECPCs מוכן בשיטת אידוי הממס ומורכב מננו-צינוריות פחמן (CNT) של 7 wt.% המפוזרים היטב במטריצה פולידימתילסילוקסאן (PDMS). על ידי גירוד ה- ECPCs slurry לתוך התעלה המיקרופלואידית, אלקטרודות ברזולוציה גבוהה המוגדרות על ידי תבניות ליתוגרפיות. בנוסף, מכיוון שהאלקטרודה מבוססת בעיקר על PDMS, נוצר קשר חזק בממשק בין האלקטרודה מבוססת ECPCs לבין מצע PDMS. לפיכך, האלקטרודה יכולה לשמור על רמת מתיחה גבוהה כמו מצע PDMS. תוצאות הניסוי מאשרות כי האלקטרודה הנמתחת המוצעת יכולה להגיב באופן ליניארי לזנים ציריים עד 30% ולהפגין יציבות מצוינת בטווח לחץ גבוה של 0-400 kPa, מה שמצביע על הפוטנציאל הגדול של שיטה זו לייצור אלקטרודות רכות בחיישני לחץ קיבוליים, אשר מודגם גם בעבודה זו.

Protocol

1. סינתזה של slurry ECPCs

1. פזרו את ה-CNT לממס טולואן ביחס משקל של 1:30 ודללו את בסיס ה-PDMS עם טולואן ביחס משקל של 1:1.
   הערה: כל הליך הניסוי, שמוצג באיור 1, צריך להתבצע במכסה אדים מאוורר היטב.
2. ערבבו מגנטית את תרחיף ה-CNT/טולואן ואת תמיסת PDMS/טולואן בטמפרטורת החדר למשך שעה אחת.
   הערה: שלב זה מאפשר ל-CNT להיות מפוזרים היטב לתוך מטריצת PDMS בשלב הבא.
3. ערבבו את תרחיף ה-CNTs/טולואן ואת תמיסת PDMS/טולואן ליצירת תערובת נוזלית של CNTs/PDMS/טולואן, וערבבו באופן מגנטי את התערובת על פלטה חמה בטמפרטורה של 80°C כדי לאדות את הממס (טולואן).
   הערה: אידוי הממס מגביר את צמיגות התמיסה, שיש לשלוט בה במדויק כדי להקל על תהליך הערבוב בשלב הבא. הזמן הדרוש לאידוי ממס מלא הוא 2 שעות.
4. הוסף חומר מרפא PDMS לתערובת CNTs/PDMS/toluene ביחס משקל של 10:1.
   הערה: בשלב זה, הסינתזה של slurry ECPCs הושלמה.

2. ייצור אלקטרודות מתיחה מבוססות תעלה מיקרופלואידית

1. הכן את התבנית מבוססת SU-8 עם דפוסים שונים של תעלות מיקרופלואידיות באמצעות טכניקת הליתוגרפיה הקונבנציונלית על פרוסת Si.
   הערה: תהליך הליתוגרפיה של התבנית עוקב אחר השיטה הסטנדרטית המוצעת בדף הנתונים של photoresist בשימוש; עובי התבניות הוא כ-100 מיקרומטר, בעוד ששלושה רוחבי קווים שונים של 50 מיקרומטר, 100 מיקרומטר ו-200 מיקרומטר משמשים לכל מבני הקורט.
2. בצע תהליך סילניזציה על תבנית SU-8 על ידי טבילת התבנית בתמיסת טריאתוקסיסילן (3-aminopropyl).
   הערה: שלב זה מקל על קילוף PDMS.
3. ערבבו את תמיסת הבסיס PDMS ואת חומר הריפוי ביחס משקל של 10:1, והניחו את תערובת ה-PDMS שלא נרפאה במייבש ואקום עד שכל בועות האוויר ייעלמו.
4. שפכו את תערובת הגז על התבנית המיוצרת בשלב 2.1, והניחו את התבנית עם תמיסת PDMS שלא נרפאה על פלטה חמה בטמפרטורה של 85°C למשך שעה אחת כדי לרפא לחלוטין את ה-PDMS ולהעביר את תבנית התבנית על סרט ה-PDMS שנרפא. מקלפים את שכבת PDMS בעזרת להב.
5. יצקו כמות קטנה של ECPCs שהוכנו בשלב 1 על משטח PDMS. בזהירות לגרד את ECPCs slurry לאורך ערוץ microfluidic מובלט בעזרת סכין גילוח.
   הערה: במהלך תהליך ציפוי גירוד זה, תרחיף ה-ECPCs הצמיג מאוד נלכד ביעילות בתבנית המיקרו-ערוץ, ושאריות שנותרו על משטח PDMS יכולות להיות מוסרות על ידי הלהב בו זמנית. אם קשה לגרד את ה- ECPCs slurry לתוך microchannel, מומלץ לחמם את הדגימה כדי להגדיל את צמיגותה. ניתן לחזור על שלב ציפוי זה מספר פעמים עד למילוי המיקרו-ערוץ ונוצרות אלקטרודות מוליכות רציפות.
6. חממו את הדגימה בטמפרטורה של 70°C למשך שעתיים.
7. חבר חוטי נחושת לשני הקצוות של האלקטרודות שיוצרו בשלב האחרון באמצעות משחת כסף מוליכה. נקודת החיבור אטומה עוד יותר ומוגנת על ידי חומר איטום גומי דביק.
   הערה: בשלב זה, הייצור של אלקטרודות מתיחה מבוססות ECPCs הושלם, כפי שמוצג באיור 2.

3. ייצור חיישן הלחץ הקיבולי

1. לייצר את האלקטרודה הרכה עם עיצוב אפקט שוליים interdigitated באמצעות השיטה המוצעת (שלבים 2.1-2.7).
   הערה: המרווח הבין-אלקטרודות ורוחב הקו של עיצוב אפקט השוליים הבין-ספרתי מוגדרים להיות זהים, ושתי תצורות מיוצרות: 200 מיקרומטר ו- 300 מיקרומטר. לפני הליך החימום (שלב 2.6), אשר עשוי לרפא את האלקטרודה, מומלץ לנקות את משטח האלקטרודה עם סרט הדבקה כדי למנוע קצר פוטנציאלי בין שני עקבות האלקטרודות במבנה interdigitated, שכן סקוטש טייפ יכול להידבק באופן סלקטיבי ECPCs מוגזם uncured slurry שנותרו על משטח PDMS, ואת ECPCs מלא microchannel ניתן לשמור.
2. הכינו תבנית מודפסת בתלת-ממד.
   הערה: התבנית מיועדת להיות בעלת חלל (3 ס"מ רוחב, 4 ס"מ אורך, וגובה של 10 מ"מ) עם פתח לתוכו ניתן לשפוך את הסיליקון הנוזלי.
3. ערבבו היטב את שני המרכיבים של קצף סיליקון פלטינה גמיש עם יחסי משקל עבור חלק A:Part B של 1:1 ו-6:1 כדי להכין שכבות דיאלקטריות של קצפי סיליקון רכים בשני גדלי נקבוביות. מערבבים במהירות.
   הערה: ניתן לשלוט בנקבוביות על ידי התאמת יחס הערבוב של חלק א' וחלק ב'.
4. יוצקים את התערובת מהצעד האחרון לתוך התבנית שנעשתה בשלב 3.2.
5. השתמשו בלוח עם מספר חורים כדי לכסות את פתח התבנית.
6. מרפאים את התערובת בטמפרטורת החדר למשך שעה אחת.
   הערה: מכיוון שקצף הסיליקון מתרחב פי שניים עד שלושה מנפחו המקורי לאחר הריפוי, הקצף יצמח מתוך החורים, כלומר עובי הקצף בחלל יהיה שווה לגובה חלל התבנית.
7. חותכים את קצף הסיליקון העודף שמגיע דרך חורים ומסירים את הלוח.
8. הניחו את הקצף הדיאלקטרי המוכן על גבי שכבת האלקטרודה הרכה הבין-ספרתית כדי לסיים את ייצור חיישן הלחץ.
   הערה: עובי קצף הסיליקון הנרפא הוא 10 מ"מ.

4. אפיון מאמץ לאלקטרודה

1. הדקו את האלקטרודה המיוצרת בשלב 2 בין שלבי התנועה של מנוע צעד שונה.
2. הפעל מאמץ חד צירי על האלקטרודה על ידי שליטה בשלב הנע כדי למתוח את האלקטרודה.
   הערה: ניתן לחשב את יכולת המתיחה המיושמת מהעקירה של השלב הנע.
3. השתמש במולטימטר כדי להקליט את מדידת ההתנגדות.

5. אפיון לחץ לאלקטרודה

1. לייצר אלקטרודת זיג-זג עם עיצוב שווה ערך לאלקטרודה הבין-ספרתית (שלבים 2.1-2.7).
   הערה: בהתחשב בכך שלאלקטרודות המסרק של האלקטרודה הבין-ספרתית יש אצבעות מרובות, אלקטרודת הזיגזג מתוכננת להרכיב את האצבעות במסלול מוליך יחיד כדי להעריך את התכונות החשמליות של האלקטרודה הבין-ספרתית. האלקטרודה שנבדקה כוללת שש אצבעות ברוחב של 300 מיקרומטר, והמרווח בין האצבעות הוא 2 מ"מ.
2. הרכיבו את פלטפורמת העמסת הלחץ על ידי חיבור מוט העמסה מודפס בתלת-ממד (קוטר 2.5 ס"מ), חיישן לחץ סטנדרטי ושלב ההזזה של מנוע צעד.
3. הניחו את האלקטרודה המפוברקת מתחת למוט הטעינה המודפס בתלת-ממד.
4. הפעל לחץ על האלקטרודה על ידי שליטה בשלב הנע כדי להניע את מוט ההעמסה הנע אנכית לכיוון האלקטרודה במרחק מתוכנת.
   הערה: ניתן לשלוט בלחץ על ידי הגדרת התזוזה של השלב הנע, והלחץ הסטנדרטי מחושב על ידי מדידת הכוח מחיישן הכוח הסטנדרטי.
5. השתמש במולטימטר כדי להקליט את מדידת ההתנגדות.

6. אפיון לחץ לחיישן לחץ קיבולי

1. השתמש באותה פלטפורמה כמו בשלב 5 כדי להפעיל לחץ על חיישן הלחץ הקיבולי שיוצר בשלב 3.
2. השתמש במד LCR כדי להקליט את מדידת הקיבול.
   הערה: הקיבול נמדד בתדירות בדיקה של 1 kHz.

תוצאות

בעקבות הפרוטוקול, ECPCs ניתן לעצב באמצעות ערוץ microfluidic, אשר מוביל להיווצרות של אלקטרודות מתיחה עם רזולוציה גבוהה. איורים 3A, B מראים תצלומים של אלקטרודות רכות עם עיצובי עקבות שונים ורזולוציות הדפסה שונות. איור 3C מראה את רוחב הקווים השונים של האלקטרודות...

Discussion

בפרוטוקול זה, הדגמנו שיטת הדפסה חדשנית מבוססת תעלה מיקרופלואידית עבור אלקטרודות נמתחות. החומר המוליך של האלקטרודה, תרחיף ECPCs, יכול להיות מוכן בשיטת אידוי הממס, המאפשרת ל-CNT להיות מפוזרים היטב לתוך מטריצת PDMS, ובכך ליצור פולימר מוליך המציג יכולת מתיחה גבוהה כמו מצע PDMS.

בתהליך ה...

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:2 inches
Stirrer	IKA	Color Squid	Stirring Equipment
Toluene	Sinopharm Chemical Reagent		Solvent for the Preparation of ECPCs
Triethoxysilane	Macklin