Мягкие электроды на основе микрофлюидных каналов и их применение в емкостном измерении давления

Резюме

Гибкие электроды имеют широкий спектр применения в мягкой робототехнике и носимой электронике. Настоящий протокол демонстрирует новую стратегию изготовления электродов с высокой растяжимостью и высоким разрешением через литографически определенные микрофлюидные каналы, что прокладывает путь для будущих высокопроизводительных датчиков мягкого давления.

Аннотация

Гибкие и растягивающиеся электроды являются важными компонентами мягких искусственных сенсорных систем. Несмотря на последние достижения в области гибкой электроники, большинство электродов ограничены либо разрешением рисунка, либо возможностью струйной печати сверхэластичными материалами с высокой вязкостью. В этой статье мы представляем простую стратегию изготовления растягивающихся композитных электродов на основе микроканалов, которая может быть достигнута путем соскабливания эластичных проводящих полимерных композитов (ECPC) в литографически тисненые микрофлюидные каналы. ECPC были получены методом выпаривания летучих растворителей, который обеспечивает равномерную дисперсию углеродных нанотрубок (УНТ) в матрице полидиметилсилоксана (PDMS). По сравнению с традиционными методами изготовления, предлагаемая технология может способствовать быстрому изготовлению четко определенных растягивающихся электродов с высоковязкой суспензией. Поскольку электроды в этой работе были изготовлены из полностью эластомерных материалов, между электродами на основе ECPC и подложкой на основе PDMS на границах раздела стенок микроканалов могут образовываться прочные взаимосвязи, что позволяет электродам проявлять механическую прочность при высоких деформациях на растяжение. Кроме того, систематически изучался и механико-электрический отклик электродов. Наконец, мягкий датчик давления был разработан путем объединения диэлектрической силиконовой пены и слоя межпальцевых электродов (IDE), и это продемонстрировало большой потенциал для датчиков давления в приложениях мягкого роботизированного тактильного зондирования.

Введение

Мягкие датчики давления широко используются в таких приложениях, как пневматические роботизированные захваты¹, носимая электроника², системы человеко-машинного интерфейса³ и т. д. В таких приложениях сенсорная система требует гибкости и растяжимости для обеспечения конформного контакта с произвольными криволинейными поверхностями. Следовательно, для обеспечения постоянной функциональности в экстремальных условиях^{деформации 4} требуются все основные компоненты, включая подложку, преобразующий элемент и электрод. Кроме того, для поддержания высоких характеристик срабатывания датчиков важно поддерживать изменения в мягких электродах на минимальном уровне, чтобы избежать помех в электрических чувствительных сигналах⁵.

В качестве одного из основных компонентов датчиков мягкого давления растягивающиеся электроды, способные выдерживать высокие уровни напряжения и деформации, имеют решающее значение для устройства для сохранения стабильных проводящих путей и импедансных характеристик ^6,7. Мягкие электроды с отличными характеристиками обычно обладают: 1) высоким пространственным разрешением в микрометровом масштабе и 2) высокой растяжимостью с прочным сцеплением с подложкой, и это незаменимые характеристики для обеспечения высокоинтегрированной мягкой электроники в носимом размере⁸. Поэтому в последнее время были предложены различные стратегии для разработки мягких электродов с вышеуказанными свойствами, таких как струйная печать, трафаретная печать, распылительная печать, трансферная печать и т. Д. ⁹. Метод струйной печати⁶ широко используется из-за его преимуществ простого изготовления, отсутствия необходимости маскировки и небольшого количества отходов материала, но трудно добиться рисунка с высоким разрешением из-за ограничений с точки зрения вязкости чернил. Трафаретная печать¹⁰ и распылительная печать¹¹ являются простыми и экономичными методами нанесения рисунка, требующими нанесения теневой маски на подложку. Однако операция по размещению или снятию маски может снизить четкость рисунка. Хотя сообщалось, что трансферная печать⁴ является многообещающим способом достижения печати с высоким разрешением, этот метод страдает от сложной процедуры и трудоемкого процесса печати. Кроме того, большинство мягких электродов, полученных с помощью этих методов нанесения рисунка, имеют другие недостатки, такие как расслоение от подложки.

Здесь мы представляем новый метод печати для быстрого изготовления экономичных мягких электродов с высоким разрешением на основе конфигураций микрофлюидных каналов. По сравнению с другими традиционными методами изготовления, предлагаемая стратегия использует эластичные проводящие полимерные композиты (ECPC) в качестве проводящего материала и литографически тисненые микрофлюидные каналы для нанесения рисунка на следы электродов. Суспензия ECPCs готовится методом выпаривания растворителем и состоит из 7 мас.% углеродных нанотрубок (УНТ), хорошо диспергированных в матрице полидиметилсилоксана (ПДМС). Соскабливая суспензию ECPC в микрофлюидный канал, можно получить электроды с высоким разрешением, определяемые литографическим рисунком. Кроме того, поскольку электрод в основном основан на PDMS, на границе раздела между электродом на основе ECPC и подложкой PDMS создается прочная связь. Таким образом, электрод может выдерживать уровень растяжения, такой же высокий, как подложка PDMS. Экспериментальные результаты подтверждают, что предложенный растягиваемый электрод может линейно реагировать на осевые деформации до 30% и проявлять превосходную стабильность в диапазоне высокого давления 0-400 кПа, что указывает на большой потенциал этого метода для изготовления мягких электродов в емкостных датчиках давления, что также продемонстрировано в данной работе.

протокол

1. Синтез суспензии ECPCs

1. Диспергируют УНТ в растворитель толуола в массовом соотношении 1:30 и разбавляют основание PDMS толуолом в массовом соотношении 1:1.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Вся экспериментальная процедура, показанная на рисунке 1, должна проводиться в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу.
2. Магнитно перемешивают суспензию УНТ/толуол и раствор ПДМС/толуола при комнатной температуре в течение 1 ч.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг позволяет хорошо диспергировать УНТ в матрице PDMS на следующем этапе.
3. Смешайте суспензию УНТ/толуол и раствор ПДМС/толуола с образованием жидкой смеси УНТ/ПДМС/толуол и магнитно перемешайте эту смесь на конфорке при 80 ° C для испарения растворителя (толуола).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Испарение растворителя увеличивает вязкость раствора, которую необходимо точно контролировать, чтобы облегчить процесс смешивания на следующем этапе. Время, необходимое для полного испарения растворителя, составляет 2 часа.
4. Добавьте отвердитель PDMS в смесь УНТ/ПДМС/толуол в массовом соотношении 10:1.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе синтез суспензии ECPC завершен.

2. Изготовление растягиваемых электродов на основе микрофлюидных каналов

1. Подготовьте форму на основе SU-8 с различными узорами микрофлюидных каналов, используя традиционную технику литографии на кремниевой пластине.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс литографии пресс-формы следует стандартному методу, предложенному в техническом описании используемого фоторезиста; Толщина пресс-форм составляет около 100 мкм, в то время как для всех следовых структур используются три различных линии ширины 50 мкм, 100 мкм и 200 мкм.
2. Выполните процесс силанизации на пресс-форме SU-8, погрузив форму в раствор триэтоксисилана (3-аминопропил).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг облегчает отслаивание PDMS.
3. Смешайте раствор основы PDMS и отвердитель с весовым соотношением 10:1 и поместите неотвержденную смесь PDMS в вакуумный эксикатор до тех пор, пока все пузырьки воздуха не исчезнут.
4. Вылейте дегазированную смесь на форму, изготовленную на шаге 2.1, и поместите форму с неотвержденным раствором PDMS на конфорку при температуре 85 °C на 1 час, чтобы полностью отверждить PDMS и перенести рисунок формы на отвержденную пленку PDMS. Снимите слой PDMS с помощью лезвия.
5. Нанесите небольшое количество ECPC, приготовленных на шаге 1, на поверхность PDMS. Аккуратно соскребите суспензию ECPC по рельефному микрофлюидному каналу с помощью бритвенного лезвия.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Во время этого процесса скребкового покрытия высоковязкая суспензия ECPCs эффективно улавливается в микроканальном рисунке, и остатки, оставшиеся на поверхности PDMS, могут быть удалены лезвием одновременно. Если суспензию ECPC трудно соскоблить в микроканал, рекомендуется нагреть образец, чтобы увеличить его вязкость. Этот этап нанесения покрытия можно повторять несколько раз до тех пор, пока микроканал не будет заполнен и не будут сформированы непрерывные проводящие электроды.
6. Нагрейте образец при 70 °C в течение 2 часов.
7. Соедините медные провода с двумя концами электродов, изготовленных на последнем этапе с помощью токопроводящей серебряной пасты. Место соединения дополнительно герметизируется и защищается клейким резиновым герметиком.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На данном этапе изготовление растягивающихся электродов на основе ECPC завершено, как показано на рисунке 2.

3. Изготовление емкостного датчика давления

1. Изготовьте мягкий электрод с конструкцией с межпальцевым эффектом бахромы, используя предложенный способ (этапы 2.1-2.7).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Межэлектродный зазор и ширина линии конструкции с эффектом межпальцевой полосы установлены одинаковыми, и изготавливаются две конфигурации: 200 мкм и 300 мкм. Перед процедурой нагрева (этап 2.6), которая может отверждать электрод, рекомендуется очистить поверхность электрода клейкой лентой, чтобы избежать потенциального короткого замыкания между двумя следами электродов в межпальцевой структуре, поскольку скотч может выборочно прилипать к чрезмерному количеству неотвержденной суспензии ECPC, остающейся на поверхности PDMS, и ECPC, заполненные микроканалом, могут быть сохранены.
2. Подготовьте пресс-форму, напечатанную на 3D-принтере.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Форма спроектирована так, чтобы иметь полость (шириной 3 см, длиной 4 см и высотой 10 мм) с отверстием, в которое можно заливать жидкий силикон.
3. Тщательно смешайте два компонента платинового силиконового гибкого пенопласта с весовыми соотношениями для части A: Часть B 1: 1 и 6: 1, чтобы получить диэлектрические слои мягкой силиконовой пены с двумя размерами пор. Быстро перемешайте.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пористость можно контролировать, регулируя пропорцию смешивания Части А и Части В.
4. Вылейте смесь с последнего шага в форму, изготовленную на шаге 3.2.
5. Используйте доску с несколькими отверстиями, чтобы закрыть отверстие формы.
6. Выдерживают смесь при комнатной температуре в течение 1 ч.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку после отверждения силиконовая пена расширяется в два-три раза по сравнению с первоначальным объемом, пена будет вырастать из отверстий, а это означает, что толщина пены в полости будет равна высоте полости формы.
7. Срежьте излишки силиконовой пены, которая проходит через отверстия, и снимите доску.
8. Поместите подготовленную диэлектрическую пену поверх межпальцевого слоя мягкого электрода, чтобы завершить изготовление датчика давления.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Толщина отвержденной силиконовой пены составляет 10 мм.

4. Характеристика деформации электрода

1. Зажмите электрод, изготовленный на шаге 2, между движущимися ступенями модифицированного шагового двигателя.
2. Приложите одноосную нагрузку к электроду, управляя движущейся ступенью, чтобы растянуть электрод.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Применяемая растяжимость может быть рассчитана по смещению подвижной ступени.
3. Используйте мультиметр для записи измерения сопротивления.

5. Характеристика давления для электрода

1. Изготовьте зигзагообразный электрод с конструкцией, эквивалентной межпальцевому электроду (этапы 2.1-2.7).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что гребенчатые электроды межпальцевого электрода имеют несколько пальцев, зигзагообразный электрод предназначен для сборки пальцев по одному проводящему пути для оценки электрических свойств межпальцевого электрода. Испытуемый электрод включает в себя шесть пальцев шириной 300 мкм, а расстояние между пальцами составляет 2 мм.
2. Соберите нагрузочную платформу под давлением, соединив напечатанный на 3D-принтере грузовой стержень (диаметр 2,5 см), стандартный датчик давления и движущуюся ступень шагового двигателя.
3. Поместите изготовленный электрод под загрузочный стержень, напечатанный на 3D-принтере.
4. Приложите давление к электроду, управляя движущейся ступенью, чтобы привести в движение грузовой стержень, движущийся вертикально к электроду на запрограммированное расстояние.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Давлением можно управлять, устанавливая смещение движущейся ступени, а стандартное давление рассчитывается путем измерения силы от стандартного датчика силы.
5. Используйте мультиметр для записи измерения сопротивления.

6. Характеристика давления для емкостного датчика давления

1. Используйте ту же платформу, что и на шаге 5, чтобы подать давление на емкостный датчик давления, изготовленный на шаге 3.
2. Используйте измеритель LCR для записи измерения емкости.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Емкость измеряется на испытательной частоте 1 кГц.

Результаты

Следуя протоколу, ECPC могут быть структурированы через микрофлюидный канал, что приводит к образованию растягивающихся электродов с высоким разрешением. На рисунках 3А, В показаны фотографии мягких электродов с различными конструкциями трассировок и разрешен?...

Обсуждение

В этом протоколе мы продемонстрировали новый метод печати на основе микрофлюидных каналов для растягивающихся электродов. Проводящий материал электрода, суспензия ECPC, может быть получен методом испарения растворителя, который позволяет УНТ хорошо диспергироваться в матрице PDMS, обра?...

Материалы

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