Eletrodos macios baseados em canais microfluídicos e sua aplicação em sensoriamento capacitivo de pressão

Resumo

Os eletrodos flexíveis têm uma ampla gama de aplicações em robótica suave e eletrônica vestível. O presente protocolo demonstra uma nova estratégia para fabricar eletrodos altamente extensíveis com alta resolução via canais microfluídicos definidos litograficamente, o que abre caminho para futuros sensores de pressão suave de alto desempenho.

Resumo

Eletrodos flexíveis e esticáveis são componentes essenciais em sistemas sensoriais artificiais macios. Apesar dos recentes avanços na eletrônica flexível, a maioria dos eletrodos é restrita pela resolução de padronização ou pela capacidade de impressão a jato de tinta com materiais superelásticos de alta viscosidade. Neste artigo, apresentamos uma estratégia simples para fabricar eletrodos compósitos esticáveis baseados em microcanais, que pode ser obtida raspando compósitos de polímeros condutores elásticos (ECPCs) em canais microfluídicos em relevo litográfico. Os ECPCs foram preparados pelo método de evaporação de solventes voláteis, que obtém uma dispersão uniforme de nanotubos de carbono (CNTs) em uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Em comparação com os métodos convencionais de fabricação, a técnica proposta pode facilitar a fabricação rápida de eletrodos esticáveis bem definidos com lama de alta viscosidade. Como os eletrodos deste trabalho foram compostos de materiais totalmente elastoméricos, fortes interligações podem ser formadas entre os eletrodos baseados em ECPCs e o substrato baseado em PDMS nas interfaces das paredes dos microcanais, o que permite que os eletrodos exibam robustez mecânica sob altas tensões de tração. Além disso, a resposta mecânico-elétrica dos eletrodos também foi sistematicamente estudada. Finalmente, um sensor de pressão suave foi desenvolvido combinando uma espuma de silicone dielétrica e uma camada de eletrodos interdigitalizados (IDE), o que demonstrou grande potencial para sensores de pressão em aplicações de sensoriamento tátil robótico macio.

Introdução

Sensores de pressão suave têm sido amplamente explorados em aplicações como pinças robóticas pneumáticas¹, eletrônica vestível², sistemas de interface homem-máquina³, etc. Em tais aplicações, o sistema sensorial requer flexibilidade e elasticidade para garantir o contato conformado com superfícies curvilíneas arbitrárias. Portanto, requer todos os componentes essenciais, incluindo o substrato, o elemento transdutor e o eletrodo, para fornecer funcionalidade consistente sob condições extremas de deformação⁴. Além disso, para manter o alto desempenho de sensoriamento, é essencial manter as mudanças nos eletrodos moles ao nível mínimo para evitar interferência nos sinais de sensoriamento elétrico⁵.

Como um dos componentes centrais dos sensores de soft pressão, eletrodos esticáveis capazes de sustentar altos níveis de tensão e deformação são cruciais para que o dispositivo preserve as vias condutoras estáveis e as características de impedância ^6,7. Eletrodos macios com excelente desempenho geralmente possuem 1) alta resolução espacial na escala micrométrica e 2) alta elasticidade com forte aderência ao substrato, e estas são características indispensáveis para permitir eletrônica macia altamente integrada em um tamanho vestível⁸. Portanto, várias estratégias têm sido propostas recentemente para desenvolver eletrodos macios com as propriedades acima, tais como impressão a jato de tinta, serigrafia, spray printing, impressão por transferência, etc. ⁹. O método de impressão a jato de tinta⁶ tem sido amplamente utilizado devido às suas vantagens de fabricação simples, sem necessidade de mascaramento e uma baixa quantidade de desperdício de material, mas é difícil alcançar padrões de alta resolução devido a limitações em termos de viscosidade da tinta. A serigrafia¹⁰ e a spray printing¹¹ são métodos de padronização simples e econômicos que exigem uma máscara de sombra no substrato. No entanto, a operação de colocar ou remover a máscara pode reduzir a clareza da padronização. Embora a impressão por transferência⁴ tenha sido relatada como uma maneira promissora de obter impressão de alta resolução, este método sofre de um procedimento complicado e um processo de impressão demorado. Além disso, a maioria dos eletrodos moles produzidos por esses métodos de padronização tem outras desvantagens, como a delaminação do substrato.

Neste artigo, apresentamos um novo método de impressão para a fabricação rápida de eletrodos macios econômicos e de alta resolução baseados em configurações de canais microfluídicos. Em comparação com outros métodos convencionais de fabricação, a estratégia proposta utiliza compósitos poliméricos condutores elásticos (ECPCs) como material condutor e canais microfluídicos em relevo litográfico para padronizar os traços dos eletrodos. A lama de ECPCs é preparada pelo método de evaporação de solvente e consiste de 7% em peso de nanotubos de carbono (CNTs) bem dispersos em uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Ao raspar a lama de ECPCs no canal microfluídico, eletrodos de alta resolução definidos por padrões litográficos podem ser produzidos. Além disso, como o eletrodo é baseado principalmente em PDMS, uma forte ligação é criada na interface entre o eletrodo baseado em ECPCs e o substrato PDMS. Assim, o eletrodo pode sustentar um nível de estiramento tão alto quanto o substrato PDMS. Os resultados experimentais confirmam que o eletrodo esticável proposto pode responder linearmente a deformações axiais de até 30% e apresentar excelente estabilidade em uma faixa de alta pressão de 0-400 kPa, indicando o grande potencial deste método para a fabricação de eletrodos moles em sensores capacitivos de pressão, o que também é demonstrado neste trabalho.

Protocolo

1. Síntese da lama ECPCs

1. Dispersar os CNTs num solvente de tolueno numa proporção de peso de 1:30 e diluir a base de PDMS com tolueno numa relação de peso de 1:1.
   NOTA: Todo o procedimento experimental, que é mostrado na Figura 1, deve ser realizado em uma capela de fumaça bem ventilada.
2. Agitar magneticamente a suspensão de CNTs/tolueno e a solução de PDMS/tolueno à temperatura ambiente durante 1 h.
   NOTA: Esta etapa permite que os CNTs sejam bem dispersos na matriz do PDMS na etapa seguinte.
3. Misturar a suspensão de CNTs/tolueno e a solução de PDMS/tolueno para formar uma mistura líquida de CNTs/PDMS/tolueno e agitar magneticamente esta mistura numa placa de aquecimento a 80 °C para evaporar o solvente (tolueno).
   NOTA: A evaporação do solvente aumenta a viscosidade da solução, que precisa ser controlada com precisão para facilitar o processo de mistura na próxima etapa. O tempo necessário para a evaporação completa do solvente é de 2 h.
4. Adicionar o agente de cura PDMS à mistura CNTs/PDMS/tolueno a uma relação de peso de 10:1.
   NOTA: Nesta fase, a síntese da pasta ECPCs está completa.

2. Fabricação dos eletrodos elásticos à base de canal microfluídico

1. Prepare o molde à base de SU-8 com diferentes padrões de canais microfluídicos usando a técnica de litografia convencional em um wafer Si.
   OBS: O processo de litografia do molde segue o método padrão sugerido na ficha técnica do fotorresiste utilizado; A espessura dos moldes é de cerca de 100 μm, enquanto três larguras de linha diferentes de 50 μm, 100 μm e 200 μm são usadas para todas as estruturas traço.
2. Execute um processo de silanização no molde SU-8 imergindo o molde na solução de trietoxissilano (3-aminopropil).
   NOTA: Esta etapa facilita o descascamento do PDMS.
3. Misture a solução de base PDMS e o agente de cura com uma relação de peso de 10:1 e coloque a mistura de PDMS não curada num exsicador a vácuo até que todas as bolhas de ar desapareçam.
4. Despeje a mistura desgaseificada no molde fabricado na etapa 2.1 e coloque o molde com a solução PDMS não curada em uma placa de aquecimento a 85 °C por 1 h para curar completamente o PDMS e transferir o padrão do molde para o filme PDMS curado. Descasque a camada de PDMS com a ajuda de uma lâmina.
5. Lançar uma pequena quantidade dos ECPCs preparados na etapa 1 na superfície do PDMS. Raspe cuidadosamente a lama de ECPCs ao longo do canal microfluídico em relevo com a ajuda de uma lâmina de barbear.
   NOTA: Durante este processo de raspagem, a lama ECPCs altamente viscosa é efetivamente aprisionada no padrão microcanal, e os resíduos deixados na superfície do PDMS podem ser removidos pela lâmina simultaneamente. Se for difícil raspar a lama de ECPCs no microcanal, recomenda-se aquecer a amostra para aumentar sua viscosidade. Esta etapa de revestimento pode ser repetida várias vezes até que o microcanal seja preenchido e eletrodos condutores contínuos sejam formados.
6. Aquecer a amostra a 70 °C durante 2 h.
7. Conecte os fios de cobre às duas extremidades dos eletrodos fabricados na última etapa usando pasta de prata condutora. O ponto de conexão é ainda selado e protegido pelo selante de borracha adesiva.
   NOTA: Nesta etapa, a fabricação dos eletrodos esticáveis baseados em ECPCs está concluída, como mostrado na Figura 2.

3. Fabricação do sensor de pressão capacitivo

1. Fabricar o eletrodo macio com um desenho de efeito de franja interdigitado usando o método proposto (passos 2.1-2.7).
   NOTA: A folga entre eletrodos e a largura da linha do projeto de efeito de franja interdigitada são definidas para serem as mesmas, e duas configurações são fabricadas: 200 μm e 300 μm. Antes do procedimento de aquecimento (passo 2.6), que pode curar o eletrodo, recomenda-se limpar a superfície do eletrodo com fita adesiva para evitar um potencial curto-circuito entre os dois traços de eletrodo na estrutura interdigitada, uma vez que a fita escocesa pode aderir seletivamente à lama excessiva de ECPCs não curada remanescente na superfície do PDMS, e os ECPCs preenchidos no microcanal podem ser retidos.
2. Prepare um molde impresso em 3D.
   NOTA: O molde é projetado para ter uma cavidade (3 cm de largura, 4 cm de comprimento e com uma altura de 10 mm) com uma abertura na qual o silicone líquido pode ser derramado.
3. Misture bem os dois componentes da espuma flexível de silicone de platina com relações de peso para a Parte A:Parte B de 1:1 e 6:1 para preparar camadas dielétricas de espumas de silicone macias com dois tamanhos de poros. Mexa rapidamente.
   NOTA: A porosidade pode ser controlada ajustando a relação de mistura da Parte A e da Parte B.
4. Despeje a mistura da última etapa no molde feito na etapa 3.2.
5. Use uma placa com vários furos para cobrir a abertura do molde.
6. Curar a mistura à temperatura ambiente durante 1 h.
   NOTA: Como a espuma de silicone se expande para duas a três vezes seu volume original após a cura, a espuma crescerá para fora dos furos, o que significa que a espessura da espuma na cavidade será igual à altura da cavidade do molde.
7. Corte o excesso de espuma de silicone que vem pelos furos e retire a placa.
8. Coloque a espuma dielétrica preparada sobre a camada de eletrodo macio interdigitalizada para finalizar a fabricação do sensor de pressão.
   NOTA: A espessura da espuma de silicone curada é de 10 mm.

4. Caracterização da deformação do eletrodo

1. Aperte o eletrodo fabricado na etapa 2 entre os estágios móveis de um motor de passo modificado.
2. Aplique deformação uniaxial ao eletrodo, controlando o estágio móvel para esticar o eletrodo.
   NOTA: A elasticidade aplicada pode ser calculada a partir do deslocamento do estágio móvel.
3. Use um multímetro para registrar a medição de resistência.

5. Caracterização da pressão do eletrodo

1. Fabricar um eletrodo em zigue-zague com um desenho equivalente ao eletrodo interdigitado (passos 2.1-2.7).
   NOTA: Considerando que os eletrodos de pente do eletrodo interdigitado possuem múltiplos dedos, o eletrodo em zigue-zague é projetado para montar os dedos em uma única via condutora para avaliar as propriedades elétricas do eletrodo interdigitado. O eletrodo testado inclui seis dedos com uma largura de 300 μm, e o espaçamento entre os dedos é de 2 mm.
2. Monte a plataforma de carga de pressão conectando uma haste de carregamento impressa em 3D (2,5 cm de diâmetro), um sensor de pressão padrão e o estágio móvel de um motor de passo.
3. Coloque o eletrodo fabricado sob a haste de carregamento impressa em 3D.
4. Aplique pressão ao eletrodo controlando o estágio móvel para acionar a haste de carga movendo-se verticalmente em direção ao eletrodo por uma distância programada.
   NOTA: A pressão pode ser controlada ajustando o deslocamento do estágio em movimento, e a pressão padrão é calculada pela medição de força do sensor de força padrão.
5. Use um multímetro para registrar a medição de resistência.

6. Caracterização da pressão para o sensor de pressão capacitivo

1. Use a mesma plataforma da etapa 5 para aplicar pressão ao sensor de pressão capacitivo fabricado na etapa 3.
2. Use um medidor LCR para registrar a medição de capacitância.
   NOTA: A capacitância é medida a uma frequência de ensaio de 1 kHz.

Resultados

Seguindo o protocolo, os ECPCs podem ser padronizados através do canal microfluídico, o que leva à formação de eletrodos esticáveis com alta resolução. As Figuras 3A, B mostram fotografias de eletrodos macios com diferentes desenhos de traços e resoluções de impressão. A Figura 3C mostra as diferentes larguras de linha dos eletrodos fabricados, incluindo 50 μm, 100 μm e 200 μm. A resistência de cada eletrodo é apresentada na

Discussão

Neste protocolo, demonstramos um novo método de impressão baseado em canais microfluídicos para eletrodos esticáveis. O material condutor do eletrodo, a lama de ECPCs, pode ser preparado pelo método de evaporação de solvente, o que permite que os CNTs sejam bem dispersos na matriz PDMS, formando assim um polímero condutor que exibe uma elasticidade tão alta quanto o substrato PDMS.

No processo de raspagem, a lama de ECPCs é rapidamente preenchida no canal microfluídico do PDMS com a...

Materiais

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