Name: Author Spotlight: Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing
Uploaded: 2023-03-17T14:35:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China under Grant 62273304.

1. Syntese af ECPC-gylle
<ol><li>CNT'erne opløses i et toluenopløsningsmiddel i vægtforholdet 1:30, og PDMS-basen fortyndes med toluen i vægtforholdet 1:1. BEMÆRK: Hele forsøgsproceduren, som er vist i figur 1, skal udføres i en godt ventileret stinkhætte.</li>
	<li>KNT'er/toluensuspensionen og PDMS/toluenopløsningen omrøres magnetisk ved stuetemperatur i 1 time. BEMÆRK: Dette trin gør det muligt for CNT'erne at blive godt spredt i PDMS-matrixen i det fø...

Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes for Capacitive Pressure Sensing

<ol>
	<li>Sun, Z. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artificial+intelligence+of+things+(AIoT)+enabled+virtual+shop+applications+using+self-powered+sensor+enhanced+soft+robotic+manipulator.">Artificial intelligence of things (AIoT) enabled virtual shop applications using self-powered sensor enhanced soft robotic manipulator.</a> Advanced Science. 8 (14), 2100230 (2021).</li><li>Lo, L. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inkjet-printed+soft+resistive+pressure+sensor+patch+for+wearable+electronics+applications.">Inkjet-printed soft resistive pressure sensor patch for wearable electronics applications.</a> Advanced Materials Technology. 5 (1), 1900717 (2020).</li><li>Zhu, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Haptic-feedback+smart+glove+as+a+creative+human-machine+interface+(HMI)+for+virtual/augmented+reality+applications.">Haptic-feedback smart glove as a creative human-machine interface (HMI) for virtual/augmented reality applications.</a> Science Advances. 6 (19), (2020).</li><li>Woo, S. -. J., Kong, J. -. H., Kim, D. -. G., Kim, J. -. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+thin+all-elastomeric+capacitive+pressure+sensor+array+based+on+micro+contact+printed+elastic+conductors.">A thin all-elastomeric capacitive pressure sensor array based on micro contact printed elastic conductors.</a> Journal of Materials Chemistry C. 2 (22), 4415-4422 (2012).</li><li>Tang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+stretchable+electrodes+on+wrinkled+polydimethylsiloxane+substrates.">Highly stretchable electrodes on wrinkled polydimethylsiloxane substrates.</a> Scientific Reports. 5, 16527 (2015).</li><li>Lo, L. -. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+inkjet-printed+PEDOT:PSS-based+stretchable+conductor+for+wearable+health+monitoring+device+applications.">An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).</li><li>Luo, R. -. B., Li, H. -. B., Du, B., Zhou, S. -. S., Zhu, Y. -. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+strategy+for+high+stretchable,+flexible+and+conductive+polymer+films+based+on+PEDOT:PSS-PDMS+blends.">A simple strategy for high stretchable, flexible and conductive polymer films based on PEDOT:PSS-PDMS blends.</a> Organic Electronics. 76, 105451 (2020).</li><li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+stable+flexible+pressure+sensors+with+a+quasi-homogeneous+composition+and+interlinked+interfaces.">Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces.</a> Nature Communications. 13, 1317 (2022).</li><li>Hong, S., Lee, S., Kim, D. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+and+design+strategies+of+stretchable+electrodes+for+electronic+skin+and+its+applications.">Materials and design strategies of stretchable electrodes for electronic skin and its applications.</a> Proceedings of the IEEE. 107 (10), 2185-2197 (2019).</li><li>Shi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Screen-printed+soft+capacitive+sensors+for+spatial+mapping+of+both+positive+and+negative+pressures.">Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures.</a> Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116 (2019).</li><li>Mahmoudinezhad, M. H., Anderson, I., Rosset, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interdigitated+sensor+based+on+a+silicone+foam+for+subtle+robotic+manipulation.">Interdigitated sensor based on a silicone foam for subtle robotic manipulation.</a> Macromolecular Rapid Communications. 42 (5), 2000560 (2019).</li></ol>

I denne protokol har vi demonstreret en ny mikrofluidisk kanalbaseret udskrivningsmetode til strækbare elektroder. Elektrodens ledende materiale, ECPC-opslæmningen, kan fremstilles ved opløsningsmiddelfordampningsmetoden, som gør det muligt at sprede CNT'erne godt i PDMS-matrixen og således danne en ledende polymer, der udviser en strækbarhed så høj som PDMS-substratet.
I skrabeprocessen fyldes ECPCs opslæmning hurtigt i PDMS mikrofluidiske kanal ved hjælp af et barberblad. Derfor sp...

Bløde tryksensorer er blevet bredt udforsket i applikationer som pneumatiske robotgribere1, bærbar elektronik2, menneske-maskine-grænsefladesystemer3 osv. I sådanne applikationer kræver det sensoriske system fleksibilitet og strækbarhed for at sikre konform kontakt med vilkårlige krøllede overflader. Derfor kræver det alle de væsentlige komponenter, herunder substratet, transduceringselementet og elektroden, for at give ensartet funktionalitet under ekstreme deformationsforhold4. For at opretholde høj sensorydelse er det desuden vigtigt at holde ændringerne i de bløde elektroder på minimumsniveauet for at undgå interferens i de elektriske sensorsignaler5.
Som en af kernekomponenterne i bløde tryksensorer er strækbare elektroder, der er i stand til at opretholde høje spændings- og belastningsniveauer, afgørende for, at enheden bevarer stabile ledende veje og impedansegenskaber 6,7. Bløde elektroder med fremragende ydeevne har normalt 1) høj rumlig opløsning på mikrometerskala og 2) høj strækbarhed med stærk binding til underlaget, og disse er uundværlige egenskaber for at muliggøre stærkt integreret blød elektronik i en bærbar størrelse8. Derfor er der for nylig foreslået forskellige strategier til udvikling af bløde elektroder med ovennævnte egenskaber, såsom inkjetudskrivning, serigrafi, sprayudskrivning og overførselsudskrivning osv. 9. Inkjetudskrivningsmetoden6 er blevet brugt i vid udstrækning på grund af dens fordele ved simpel fabrikation, intet maskeringskrav og en lav mængde materialeaffald, men det er svært at opnå mønster i høj opløsning på grund af begrænsninger med hensyn til blækviskositeten. Serigrafi10 og spraytryk11 er enkle og omkostningseffektive mønstermetoder, der kræver en skyggemaske på underlaget. Betjeningen med at placere eller fjerne masken kan dog reducere mønsterets klarhed. Selvom overførselsudskrivning4 er blevet rapporteret at være en lovende måde at opnå udskrivning i høj opløsning på, lider denne metode af en kompliceret procedure og en tidskrævende udskrivningsproces. Desuden har de fleste af de bløde elektroder, der produceres ved disse mønstermetoder, andre ulemper, såsom delaminering fra substratet.
Heri præsenterer vi en ny udskrivningsmetode til hurtig fremstilling af omkostningseffektive bløde elektroder med høj opløsning baseret på mikrofluidiske kanalkonfigurationer. Sammenlignet med andre konventionelle fabrikationsmetoder anvender den foreslåede strategi elastiske ledende polymerkompositter (ECPC'er) som det ledende materiale og litografisk prægede mikrofluidiske kanaler til at mønstre elektrodesporene. ECPC-opslæmningen fremstilles ved opløsningsmiddelfordampningsmetoden og består af 7 vægt% kulstofnanorør (CNT'er), der er godt dispergeret i en polydimethylsiloxan (PDMS) matrix. Ved at skrabe ECPC'ernes opslæmning ind i den mikrofluidiske kanal kan der fremstilles højopløsningselektroder defineret ved litografisk mønster. Da elektroden hovedsageligt er baseret på PDMS, skabes der desuden stærk binding ved grænsefladen mellem den ECPC-baserede elektrode og PDMS-substratet. Således kan elektroden opretholde et strækniveau så højt som PDMS-substratet. De eksperimentelle resultater bekræfter, at den foreslåede strækbare elektrode kan reagere lineært på aksiale stammer op til 30% og udvise fremragende stabilitet i et højtryksområde på 0-400 kPa, hvilket indikerer det store potentiale i denne metode til fremstilling af bløde elektroder i kapacitive tryksensorer, hvilket også demonstreres i dette arbejde.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>OPLENIC DIGITAL CAMERA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon nanotubes (CNTs)</td>
			<td>Nanjing Xianfeng Nano-technology</td>
			<td></td>
			<td>Diameter:10-20 nm,Length:10-30 &#956;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hotplate Stirrer</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Super-Nuova+</td>
			<td>Stirring and Heating Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LCR meter</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>E4980AL</td>
			<td>Capacitance Measurment Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>SDPTOP</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multimeter</td>
			<td>Fluke</td>
			<td></td>
			<td>Resistance measurment Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Yamoto</td>
			<td>DX412C</td>
			<td>Heating equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photo mask</td>
			<td>Shenzhen Weina Electronic Technology</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>SU-8 3050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td>Sylgard 184</td>
			<td>Silicone Elastomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Foam</td>
			<td>Smooth on</td>
			<td>Soma Foama 25</td>
			<td>Two-component Platinum Silicone Flexible Foam</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone wafer</td>
			<td>Suzhou Crystal Silicon Electronic &#38; Technology</td>
			<td></td>
			<td>Diameter:2inch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stirrer</td>
			<td>IKA</td>
			<td>Color Squid</td>
			<td>Stirring Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent</td>
			<td></td>
			<td>Solvent for the Preparation of ECPCs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triethoxysilane</td>
			<td>Macklin</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

microfluidic channel-based soft electrodes and their application in capacitive pressure sensing

Fleksible og strækbare elektroder er vigtige komponenter i bløde kunstige sensoriske systemer. På trods af de seneste fremskridt inden for fleksibel elektronik er de fleste elektroder enten begrænset af mønsteropløsningen eller inkjetudskrivningens evne til superelastiske materialer med høj viskositet. I dette papir præsenterer vi en simpel strategi til fremstilling af mikrokanalbaserede strækbare kompositelektroder, som kan opnås ved at skrabe elastiske ledende polymerkompositter (ECPC'er) i litografisk prægede mikrofluidiske kanaler. ECPC'erne blev fremstillet ved en flygtig opløsningsmiddelfordampningsmetode, som opnår en ensartet dispersion af kulstofnanorør (CNT'er) i en polydimethylsiloxan (PDMS) matrix. Sammenlignet med konventionelle fremstillingsmetoder kan den foreslåede teknik lette hurtig fremstilling af veldefinerede strækbare elektroder med højviskositetsopslæmning. Da elektroderne i dette arbejde bestod af all-elastomeriske materialer, kan der dannes stærke forbindelser mellem de ECPC-baserede elektroder og det PDMS-baserede substrat ved grænsefladerne mellem mikrokanalvæggene, hvilket gør det muligt for elektroderne at udvise mekanisk robusthed under høje trækbelastninger. Derudover blev elektrodernes mekanisk-elektriske respons også systematisk undersøgt. Endelig blev en soft pressure sensor udviklet ved at kombinere et dielektrisk silikoneskum og et interdigitated electrodes (IDE) lag, og dette demonstrerede et stort potentiale for tryksensorer i bløde robotiske taktile sensing applikationer.

Soft pressure sensors have been widely explored in applications such as pneumatic robotic grippers1, wearable electronics2, human-machine interface systems3, etc. In such applications, the sensory system requires flexibility and stretchability to ensure conformal contact with arbitrary curvilinear surfaces. Therefore, it requires all the essential components, including the substrate, the transducing element, and the electrode, to provide consistent functionality under extreme deformation conditions4. Moreover, to maintain high sensing performance, it is essential to keep the changes in the soft electrodes to the minimum level to avoid interference in the electrical sensing signals5.
As one of the core components in soft pressure sensors, stretchable electrodes capable of sustaining high stress and strain levels are crucial for the device to preserve stable conductive pathways and impedance characteristics6,7. Soft electrodes with excellent performance usually possess 1) high spatial resolution at the micrometer scale and 2) high stretchability with strong bonding to the substrate, and these are indispensable characteristics to enable highly integrated soft electronics in a wearable size8. Therefore, various strategies have been proposed recently to develop soft electrodes with the above properties, such as ink-jet printing, screen printing, spray printing, and transfer printing, etc.9. The ink-jet printing method6&#160;has been widely used due to its advantages of simple fabrication, no masking requirement, and a low amount of material waste, but it is hard to achieve high-resolution patterning due to limitations in terms of the ink viscosity. Screen printing10&#160;and spray printing11&#160;are simple and cost-effective patterning methods that require a shadow mask on the substrate. However, the operation of placing or removing the mask can reduce the clarity of the patterning. Although transfer printing4 has been reported to be a promising way to achieve high-resolution printing, this method suffers from a complicated procedure and a time-consuming printing process. Furthermore, most of the soft electrodes produced by these patterning methods have other disadvantages, such as delamination from the substrate.
Herein, we present a novel printing method for the rapid fabrication of cost-effective and high-resolution soft electrodes based on microfluidic channel configurations. Compared to other conventional fabrication methods, the proposed strategy utilizes elastic conductive polymer composites (ECPCs) as the conductive material and lithographically embossed microfluidic channels to pattern the electrode traces. The ECPCs slurry is prepared by the solvent evaporation method and consists of 7 wt.% carbon nanotubes (CNTs) well-dispersed in a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix. By scraping the ECPCs slurry into the microfluidic channel, high-resolution electrodes defined by lithographic patterning can be produced. In addition, since the electrode is mainly based on PDMS, strong bonding is created at the interface between the ECPCs-based electrode and the PDMS substrate. Thus, the electrode can sustain a stretch level as high as the PDMS substrate. The experimental results confirm that the proposed stretchable electrode can respond linearly to axial strains up to 30% and exhibit excellent stability in a high-pressure range of 0-400 kPa, indicating the great potential of this method for fabricating soft electrodes in capacitive pressure sensors, which is also demonstrated in this work.

Author Spotlight: Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing  

Mikrofluidiske kanalbaserede bløde elektroder og deres anvendelse i kapacitiv trykføler;

Efter protokollen kan ECPC'er mønstres via den mikrofluidiske kanal, hvilket fører til dannelse af strækbare elektroder med høj opløsning. Figur 3A, B viser fotografier af bløde elektroder med forskellige spordesign og trykopløsninger. Figur 3C viser de forskellige linjebredder af de fremstillede elektroder, herunder 50 μm, 100 μm og 200 μm. Modstanden for hver elektrode er vist i figur 3D, som viser, at m...

Watch this Scientific Journal Video about Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing at JoVE.com

Fleksible elektroder har en bred vifte af applikationer inden for blød robotteknologi og bærbar elektronik. Denne protokol demonstrerer en ny strategi for fremstilling af meget strækbare elektroder med høj opløsning via litografisk definerede mikrofluidiske kanaler, hvilket baner vejen for fremtidige højtydende bløde tryksensorer.

Flexible and stretchable electrodes are essential components in soft artificial sensory systems. Despite recent advances in flexible electronics, most ...

Vores forskning fokuserer virkelig på fleksibel og strækbar elektronik til sensorapplikationer, samtidig med at vi forsøger at udvikle innovative materialer og fremstilling netop til fleksible elektroniske systemer. Fleksible og strækbare elektroder er vigtige komponenter i bløde kunstige sensoriske systemer. På trods af de seneste fremskridt inden for fleksibel elektronik er de fleste elektroder enten begrænset af mønsteropløsningen eller evnen til inkjetudskrivning, superelastiske materialer med høj viskositet.I denne protokol har vi demonstreret en ny mikrofluidisk kanalbaseret udskrivningsmetode til strækbare elektroder. Elektrodens ledende materiale, ECPC-gulvet, kan skrabes ind i mikrokanalen og danner således en ledende polymer, der udviser en strækbarhed så høj som PDMS-substratet. Sammenlignet med de handlinger, der produceres ved eksisterende fabrikationsmetoder, såsom inkjetudskrivning, skrabetryk, sprayudskrivning og overførselsudskrivning, har de foreslåede mikrofluidiske kanalbaserede bløde elektroner fordelene ved en høj trykopløsning og høj strækbarhed med den stærke binding til substratet.Protokollen, der præsenteres i denne forskning, kombinerer ægteskab mellem strækbare materialer og mikrofluidiske kanaler, hvilket muliggør en billig og hurtig påføringsmetode til fremstilling af strækbare elektroner med høj opløsning til bløde robottaktile sensorapplikationer.