Mikroakışkan Kanal Bazlı Yumuşak Elektrotlar ve Kapasitif Basınç Algılamada Uygulamaları

Özet

Esnek elektrotlar, yumuşak robotik ve giyilebilir elektronikte çok çeşitli uygulamalara sahiptir. Mevcut protokol, litografik olarak tanımlanmış mikroakışkan kanallar aracılığıyla yüksek çözünürlüğe sahip yüksek oranda gerilebilir elektrotlar üretmek için yeni bir strateji göstermektedir ve bu da gelecekteki yüksek performanslı yumuşak basınç sensörlerinin önünü açmaktadır.

Özet

Esnek ve gerilebilir elektrotlar, yumuşak yapay duyusal sistemlerde temel bileşenlerdir. Esnek elektronikteki son gelişmelere rağmen, çoğu elektrot ya desen çözünürlüğü ya da yüksek viskoziteli süper elastik malzemelerle mürekkep püskürtmeli baskı yeteneği ile sınırlıdır. Bu yazıda, elastik iletken polimer kompozitlerin (ECPC'ler) litografik olarak kabartılmış mikroakışkan kanallara kazınmasıyla elde edilebilecek mikrokanal tabanlı gerilebilir kompozit elektrotları üretmek için basit bir strateji sunuyoruz. ECPC'ler, bir polidimetilsiloksan (PDMS) matrisinde karbon nanotüplerin (CNT'ler) düzgün bir şekilde dağılmasını sağlayan uçucu bir çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanmıştır. Geleneksel üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında, önerilen teknik, yüksek viskoziteli bulamaç ile iyi tanımlanmış gerilebilir elektrotların hızlı bir şekilde üretilmesini kolaylaştırabilir. Bu çalışmadaki elektrotlar tamamen elastomerik malzemelerden oluştuğundan, ECPC'ler tabanlı elektrotlar ile PDMS tabanlı substrat arasında, mikrokanal duvarlarının arayüzlerinde güçlü ara bağlantılar oluşturulabilir, bu da elektrotların yüksek gerilme gerinimleri altında mekanik sağlamlık sergilemesini sağlar. Ek olarak, elektrotların mekanik-elektrik tepkisi de sistematik olarak incelenmiştir. Son olarak, bir dielektrik silikon köpük ve bir interdijitasyonlu elektrot (IDE) tabakasının birleştirilmesiyle yumuşak bir basınç sensörü geliştirildi ve bu, yumuşak robotik dokunsal algılama uygulamalarında basınç sensörleri için büyük bir potansiyel gösterdi.

Giriş

Yumuşak basınç sensörleri, pnömatik robotik tutucular¹, giyilebilir elektronikler², insan-makine arayüz sistemleri³ gibi uygulamalarda geniş çapta araştırılmıştır. Bu tür uygulamalarda, duyusal sistem, keyfi eğrisel yüzeylerle konformal temas sağlamak için esneklik ve gerilebilirlik gerektirir. Bu nedenle, aşırı deformasyon koşulları altında tutarlı işlevsellik sağlamak için substrat, dönüştürücü eleman ve elektrot dahil olmak üzere tüm temel bileşenlerin kullanılmasını gerektirir⁴. Ayrıca, yüksek algılama performansını korumak için, elektrik algılama sinyallerinde paraziti önlemek için yumuşak elektrotlardaki değişiklikleri minimum seviyede tutmak önemlidir⁵.

Yumuşak basınç sensörlerinin temel bileşenlerinden biri olarak, yüksek gerilim ve gerinim seviyelerini sürdürebilen gerilebilir elektrotlar, cihazın kararlı iletken yolları ve empedans özelliklerini koruması için çok önemlidir ^6,7. Mükemmel performansa sahip yumuşak elektrotlar genellikle 1) mikrometre ölçeğinde yüksek uzamsal çözünürlüğe ve 2) alt tabakaya güçlü bir şekilde yapışarak yüksek gerilebilirliğe sahiptir ve bunlar, giyilebilir^bir boyutta 8 boyutunda yüksek oranda entegre yumuşak elektronikler sağlamak için vazgeçilmez özelliklerdir. Bu nedenle, mürekkep püskürtmeli baskı, serigrafi, sprey baskı ve transfer baskı gibi yukarıdaki özelliklere sahip yumuşak elektrotlar geliştirmek için son zamanlarda çeşitli stratejiler önerilmiştir. ⁹. Mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi⁶, basit imalat, maskeleme gereksinimi olmaması ve düşük miktarda malzeme atığı avantajları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak mürekkep viskozitesi açısından sınırlamalar nedeniyle yüksek çözünürlüklü desen elde etmek zordur. Serigrafi baskı¹⁰ ve sprey baskı¹¹, alt tabaka üzerinde gölge maskesi gerektiren basit ve uygun maliyetli desen yöntemleridir. Bununla birlikte, maskeyi yerleştirme veya çıkarma işlemi, desenin netliğini azaltabilir. Transfer baskı^4'ün yüksek çözünürlüklü baskı elde etmenin umut verici bir yolu olduğu bildirilmiş olsa da, bu yöntem karmaşık bir prosedürden ve zaman alıcı bir baskı sürecinden muzdariptir. Ayrıca, bu modelleme yöntemleriyle üretilen yumuşak elektrotların çoğunun, substrattan delaminasyon gibi başka dezavantajları da vardır.

Burada, mikroakışkan kanal konfigürasyonlarına dayanan uygun maliyetli ve yüksek çözünürlüklü yumuşak elektrotların hızlı üretimi için yeni bir baskı yöntemi sunuyoruz. Diğer geleneksel imalat yöntemleriyle karşılaştırıldığında, önerilen strateji, iletken malzeme olarak elastik iletken polimer kompozitleri (ECPC'ler) ve elektrot izlerini modellemek için litografik olarak kabartmalı mikroakışkan kanalları kullanır. ECPC'lerin bulamacı, çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanır ve bir polidimetilsiloksan (PDMS) matrisinde iyi dağılmış ağırlıkça% 7 karbon nanotüplerden (CNT'ler) oluşur. ECPC'lerin bulamacını mikroakışkan kanala kazıyarak, litografik modelleme ile tanımlanan yüksek çözünürlüklü elektrotlar üretilebilir. Ek olarak, elektrot esas olarak PDMS'ye dayandığından, ECPCs bazlı elektrot ile PDMS substratı arasındaki arayüzde güçlü bir bağ oluşturulur. Böylece, elektrot PDMS substratı kadar yüksek bir gerilme seviyesini koruyabilir. Deneysel sonuçlar, önerilen gerilebilir elektrotun% 30'a kadar eksenel suşlara doğrusal olarak yanıt verebildiğini ve 0-400 kPa'lık yüksek basınç aralığında mükemmel stabilite sergileyebildiğini doğrulamaktadır, bu da bu yöntemin kapasitif basınç sensörlerinde yumuşak elektrotların üretilmesi için büyük potansiyelini göstermektedir.

Protokol

1. ECPCs bulamacının sentezi

1. CNT'leri 1:30 ağırlık oranında bir toluen çözücüye dağıtın ve PDMS bazını 1:1 ağırlık oranında toluen ile seyreltin.
   NOT: Şekil 1'de gösterilen tüm deneysel prosedür, iyi havalandırılan bir duman davlumbazında gerçekleştirilmelidir.
2. CNT/toluen süspansiyonunu ve PDMS/toluen çözeltisini oda sıcaklığında 1 saat boyunca manyetik olarak karıştırın.
   NOT: Bu adım, CNT'lerin bir sonraki adımda PDMS matrisine iyi dağılmasını sağlar.
3. Sıvı CNT'ler/PDMS/toluen karışımı oluşturmak için CNT'ler/toluen süspansiyonunu ve PDMS/toluen çözeltisini karıştırın ve çözücüyü (tolüen) buharlaştırmak için bu karışımı 80 °C'de bir ocak plakası üzerinde manyetik olarak karıştırın.
   NOT: Çözücünün buharlaşması, bir sonraki adımda karıştırma prosesini kolaylaştırmak için hassas bir şekilde kontrol edilmesi gereken çözelti viskozitesini arttırır. Tam çözücü buharlaşması için gereken süre 2 saattir.
4. PDMS kürleme maddesini CNT'ler/PDMS/toluen karışımına 10:1 ağırlık oranında ekleyin.
   NOT: Bu aşamada, ECPCs bulamacının sentezi tamamlanmıştır.

2. Mikroakışkan kanal bazlı gerilebilir elektrotların imalatı

1. SU-8 tabanlı kalıbı, bir Si gofret üzerinde geleneksel litografi tekniğini kullanarak farklı mikroakışkan kanal desenleriyle hazırlayın.
   NOT: Kalıbın litografi işlemi, kullanılan fotodirencin veri sayfasında önerilen standart yöntemi izler; Kalıpların kalınlığı yaklaşık 100 μm iken, tüm eser yapılar için 50 μm, 100 μm ve 200 μm'lik üç farklı çizgi genişliği kullanılır.
2. Kalıbı (3-aminopropil) trietoksisilan çözeltisine daldırarak SU-8 kalıbı üzerinde bir silanizasyon işlemi gerçekleştirin.
   NOT: Bu adım PDMS'nin soyulmasını kolaylaştırır.
3. PDMS baz çözeltisini ve kürleme maddesini 10:1 ağırlık oranıyla karıştırın ve kürlenmemiş PDMS karışımını tüm hava kabarcıkları kaybolana kadar vakumlu bir kurutucuya yerleştirin.
4. Gazdan arındırılmış karışımı adım 2.1'de imal edilen kalıba dökün ve PDMS'yi tamamen kürlemek ve kalıbın desenini kürlenmiş PDMS filmine aktarmak için kalıbı kürlenmemiş PDMS çözeltisi ile 1 saat boyunca 85 ° C'de bir ocak plakasına yerleştirin. PDMS tabakasını bir bıçak yardımıyla soyun.
5. 1. adımda hazırlanan ECPC'lerin küçük bir kısmını PDMS yüzeyine dökün. ECPC'lerin bulamacını kabartmalı mikroakışkan kanal boyunca bir tıraş bıçağı yardımıyla dikkatlice kazıyın.
   NOT: Bu kazıma kaplama işlemi sırasında, yüksek viskoziteli ECPCs bulamacı mikrokanal deseninde etkili bir şekilde tutulur ve PDMS yüzeyinde kalan artıklar bıçak tarafından aynı anda giderilebilir. ECPCs bulamacının mikro kanala kazınması zorsa, viskozitesini arttırmak için numunenin ısıtılması önerilir. Bu kaplama adımı, mikrokanal dolana ve sürekli iletken elektrotlar oluşana kadar birçok kez tekrarlanabilir.
6. Numuneyi 70 °C'de 2 saat ısıtın.
7. İletken gümüş macunu kullanarak son adımda imal edilen elektrotların iki ucuna bakır telleri bağlayın. Bağlantı noktası ayrıca kapatılır ve yapışkan kauçuk sızdırmazlık maddesi ile korunur.
   NOT: Bu aşamada, ECPCs bazlı gerilebilir elektrotların üretimi Şekil 2'de gösterildiği gibi tamamlanmıştır.

3. Kapasitif basınç sensörünün imalatı

1. Önerilen yöntemi kullanarak yumuşak elektrodu birbirine sayısallaştırılmış bir saçak efekti tasarımıyla imal edin (adım 2.1-2.7).
   NOT: Ara sayısallaştırılmış saçak efekti tasarımının elektrotlar arası boşluğu ve çizgi genişliği aynı olacak şekilde ayarlanmıştır ve iki konfigürasyon üretilmiştir: 200 μm ve 300 μm. Elektrodu kürleyebilecek ısıtma prosedüründen önce (adım 2.6), interdijitasyonlu yapıdaki iki elektrot izi arasında potansiyel bir kısa devreyi önlemek için elektrot yüzeyinin yapışkan bantla temizlenmesi önerilir, çünkü scotch bant PDMS yüzeyinde kalan aşırı kürlenmemiş ECPC'lerin bulamacına seçici olarak yapışabilir ve mikrokanalda doldurulan ECPC'ler korunabilir.
2. 3D baskılı bir kalıp hazırlayın.
   NOT: Kalıp, sıvı silikonun dökülebileceği bir açıklığa sahip bir boşluğa (3 cm genişliğinde, 4 cm uzunluğunda ve 10 mm yüksekliğinde) sahip olacak şekilde tasarlanmıştır.
3. İki gözenek boyutuna sahip yumuşak silikon köpüklerin dielektrik katmanlarını hazırlamak için platin silikon esnek köpüğün iki bileşenini Bölüm A: Bölüm B 1: 1 ve 6: 1 için ağırlık oranlarıyla iyice karıştırın. Hızlıca karıştırın.
   NOT: Gözeneklilik, Kısım A ve Kısım B'nin karıştırma oranı ayarlanarak kontrol edilebilir.
4. Karışımı son adımdan itibaren adım 3.2'de yapılan kalıba dökün.
5. Kalıp açıklığını kapatmak için birkaç delikli bir tahta kullanın.
6. Karışımı oda sıcaklığında 1 saat kürleyin.
   NOT: Silikon köpük, kürlendikten sonra orijinal hacminin iki ila üç katına genişlediğinden, köpük deliklerden büyüyecek, yani boşluktaki köpüğün kalınlığı kalıp boşluğunun yüksekliğine eşit olacaktır.
7. Deliklerden gelen fazla silikon köpüğü kesin ve tahtayı çıkarın.
8. Basınç sensörü imalatını tamamlamak için hazırlanan dielektrik köpüğü ara sayısallaştırılmış yumuşak elektrot tabakasının üzerine yerleştirin.
   NOT: Kürlenmiş silikon köpüğün kalınlığı 10 mm'dir.

4. Elektrot için gerinim karakterizasyonu

1. Modifiye edilmiş bir step motorun hareketli aşamaları arasında adım 2'de üretilen elektrodu kelepçeleyin.
2. Elektrodu germek için hareketli aşamayı kontrol ederek elektrota tek eksenli gerinim uygulayın.
   NOT: Uygulanan gerilebilirlik, hareketli aşamanın yer değiştirmesinden hesaplanabilir.
3. Direnç ölçümünü kaydetmek için bir multimetre kullanın.

5. Elektrot için basınç karakterizasyonu

1. Sayısallaştırılmış elektroda eşdeğer bir tasarıma sahip zikzaklı bir elektrot üretin (adım 2.1-2.7).
   NOT: Sayısallaştırılmış elektrotun tarak elektrotlarının birden fazla parmağa sahip olduğu göz önüne alındığında, zikzak elektrodu, interdijitasyonlu elektrotun elektriksel özelliklerini değerlendirmek için parmakları tek bir iletken yolda birleştirmek üzere tasarlanmıştır. Test edilen elektrot, 300 μm genişliğinde altı parmak içerir ve parmaklar arasındaki boşluk 2 mm'dir.
2. 3D baskılı bir yükleme çubuğunu (2,5 cm çapında), standart bir basınç sensörünü ve bir step motorun hareketli aşamasını bağlayarak basınç yükleme platformunu monte edin.
3. Fabrikasyon elektrodu 3D baskılı yükleme çubuğunun altına yerleştirin.
4. Programlanmış bir mesafe ile elektroda doğru dikey olarak hareket eden yükleme çubuğunu sürmek için hareketli aşamayı kontrol ederek elektroda basınç uygulayın.
   NOT: Basınç, hareketli aşamanın yer değiştirmesi ayarlanarak kontrol edilebilir ve standart basınç, standart kuvvet sensöründen kuvvet ölçümü ile hesaplanır.
5. Direnç ölçümünü kaydetmek için bir multimetre kullanın.

6. Kapasitif basınç sensörü için basınç karakterizasyonu

1. Adım 3'te üretilen kapasitif basınç sensörüne basınç uygulamak için adım 5'teki ile aynı platformu kullanın.
2. Kapasitans ölçümünü kaydetmek için bir LCR ölçüm cihazı kullanın.
   NOT: Kapasitans, 1 kHz'lik bir test frekansında ölçülür.

Sonuçlar

Protokolü takiben, ECPC'ler mikroakışkan kanal aracılığıyla modellenebilir ve bu da yüksek çözünürlüklü gerilebilir elektrotların oluşumuna yol açar. Şekil 3A, B, farklı iz tasarımlarına ve baskı çözünürlüklerine sahip yumuşak elektrotların fotoğraflarını göstermektedir. Şekil 3C, 50 μm, 100 μm ve 200 μm dahil olmak üzere fabrikasyon elektrotların farklı çizgi genişliklerini göstermektedir. Her elektrot...

Tartışmalar

Bu protokolde, gerilebilir elektrotlar için yeni bir mikroakışkan kanal tabanlı baskı yöntemi gösterdik. Elektrotun iletken malzemesi olan ECPC'lerin bulamacı, CNT'lerin PDMS matrisine iyi dağılmasını sağlayan çözücü buharlaştırma yöntemi ile hazırlanabilir, böylece PDMS substratı kadar yüksek bir gerilebilirlik sergileyen iletken bir polimer oluşturur.

Kazıma işleminde, ECPC'lerin bulamacı bir tıraş bıçağı yardımıyla PDMS mikroakışkan kanalına hızla dol...

Malzemeler

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