Name: Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing (Video) | JoVE
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

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo la subvención 62273304.

1. Síntesis de los purines ECPCs
<ol><li>Dispersar los CNT en un disolvente de tolueno en una relación de peso de 1:30 y diluir la base PDMS con tolueno en una relación de peso de 1:1. NOTA: Todo el procedimiento experimental, que se muestra en la Figura 1, debe llevarse a cabo en una campana extractora bien ventilada.</li>
	<li>Agitar magnéticamente la suspensión de CNTs/tolueno y la solución PDMS/tolueno a temperatura ambiente durante 1 h. NOTA: Este paso per...

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>

En este protocolo, hemos demostrado un nuevo método de impresión basado en canales microfluídicos para electrodos estirables. El material conductor del electrodo, la suspensión ECPC, se puede preparar mediante el método de evaporación del disolvente, que permite que los CNT se dispersen bien en la matriz PDMS, formando así un polímero conductor que exhibe una capacidad de estiramiento tan alta como el sustrato PDMS.
En el proceso de raspado, la suspensión ECPC se llena rápidamente en...

Los sensores de presión suave se han explorado ampliamente en aplicaciones como pinzas robóticas neumáticas1, electrónica portátil2, sistemas de interfaz hombre-máquina3, etc. En tales aplicaciones, el sistema sensorial requiere flexibilidad y capacidad de estiramiento para garantizar el contacto conforme con superficies curvilíneas arbitrarias. Por lo tanto, requiere que todos los componentes esenciales, incluidos el sustrato, el elemento transductor y el electrodo, proporcionen una funcionalidad consistente en condiciones extremas de deformación4. Además, para mantener un alto rendimiento de detección, es esencial mantener los cambios en los electrodos blandos al nivel mínimo para evitar interferencias en las señales de detección eléctrica5.
Como uno de los componentes centrales en los sensores de presión blanda, los electrodos estirables capaces de soportar altos niveles de tensión y deformación son cruciales para que el dispositivo preserve vías conductoras estables y características de impedancia 6,7. Los electrodos blandos con excelente rendimiento generalmente poseen 1) alta resolución espacial a escala micrométrica y 2) alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato, y estas son características indispensables para permitir una electrónica blanda altamente integrada en un tamaño portátil8. Por lo tanto, recientemente se han propuesto varias estrategias para desarrollar electrodos blandos con las propiedades anteriores, como la impresión por chorro de tinta, la serigrafía, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, etc. 9. El método de impresión de inyección de tinta6 ha sido ampliamente utilizado debido a sus ventajas de fabricación simple, sin requisitos de enmascaramiento y una baja cantidad de desperdicio de material, pero es difícil lograr patrones de alta resolución debido a las limitaciones en términos de viscosidad de la tinta. La serigrafía10 y la impresión por pulverización11 son métodos de modelado simples y rentables que requieren una máscara de sombra en el sustrato. Sin embargo, la operación de colocar o quitar la máscara puede reducir la claridad del patrón. Aunque se ha informado que la impresión por transferencia4 es una forma prometedora de lograr la impresión de alta resolución, este método sufre de un procedimiento complicado y un proceso de impresión que consume mucho tiempo. Además, la mayoría de los electrodos blandos producidos por estos métodos de patrón tienen otras desventajas, como la delaminación del sustrato.
Aquí, presentamos un novedoso método de impresión para la fabricación rápida de electrodos blandos rentables y de alta resolución basados en configuraciones de canales microfluídicos. En comparación con otros métodos de fabricación convencionales, la estrategia propuesta utiliza compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) como material conductor y canales microfluídicos en relieve litográficamente para modelar las trazas de electrodos. La suspensión ECPC se prepara por el método de evaporación con disolvente y consiste en un 7% en peso de nanotubos de carbono (CNT) bien dispersos en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Al raspar la suspensión de ECPC en el canal microfluídico, se pueden producir electrodos de alta resolución definidos por patrones litográficos. Además, dado que el electrodo se basa principalmente en PDMS, se crea una fuerte unión en la interfaz entre el electrodo basado en ECPC y el sustrato PDMS. Por lo tanto, el electrodo puede mantener un nivel de estiramiento tan alto como el sustrato PDMS. Los resultados experimentales confirman que el electrodo estirable propuesto puede responder linealmente a deformaciones axiales de hasta el 30% y exhibir una excelente estabilidad en un rango de alta presión de 0-400 kPa, lo que indica el gran potencial de este método para fabricar electrodos blandos en sensores de presión capacitivos, que también se demuestra en este trabajo.

<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

Los electrodos flexibles y estirables son componentes esenciales en los sistemas sensoriales artificiales blandos. A pesar de los recientes avances en electrónica flexible, la mayoría de los electrodos están restringidos por la resolución del patrón o la capacidad de impresión de inyección de tinta con materiales superelásticos de alta viscosidad. En este documento, presentamos una estrategia simple para fabricar electrodos compuestos estirables basados en microcanales, que se pueden lograr raspando compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) en canales microfluídicos en relieve litográficamente. Los ECPC se prepararon mediante un método de evaporación de disolventes volátiles, que logra una dispersión uniforme de nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). En comparación con los métodos de fabricación convencionales, la técnica propuesta puede facilitar la fabricación rápida de electrodos estirables bien definidos con lodos de alta viscosidad. Dado que los electrodos en este trabajo estaban compuestos de materiales totalmente elastoméricos, se pueden formar fuertes interconexiones entre los electrodos basados en ECPC y el sustrato basado en PDMS en las interfaces de las paredes del microcanal, lo que permite que los electrodos exhiban robustez mecánica bajo altas tensiones de tracción. Además, también se estudió sistemáticamente la respuesta mecánico-eléctrica de los electrodos. Finalmente, se desarrolló un sensor de presión suave combinando una espuma de silicona dieléctrica y una capa de electrodos interdigitados (IDE), y esto demostró un gran potencial para los sensores de presión en aplicaciones de detección táctil robótica blanda.

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

Siguiendo el protocolo, los ECPC se pueden modelar a través del canal microfluídico, lo que conduce a la formación de electrodos estirables con una alta resolución. Las figuras 3A, B muestran fotografías de electrodos blandos con diferentes diseños de trazas y resoluciones de impresión. La Figura 3C muestra los diferentes anchos de línea de los electrodos fabricados, incluidos 50 μm, 100 μm y 200 μm. La resistencia de cada electrodo s...

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Microfluidic Channel-Based Soft Electrodes and Their Application in Capacitive Pressure Sensing (Video) | JoVE 

Los electrodos flexibles tienen una amplia gama de aplicaciones en robótica blanda y electrónica portátil. El protocolo actual demuestra una nueva estrategia para fabricar electrodos altamente estirables con alta resolución a través de canales microfluídicos definidos litográficamente, lo que allana el camino para futuros sensores de presión suave de alto rendimiento.

Electrodos blandos basados en canales microfluídicos y su aplicación en la detección de presión capacitiva

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

Nuestra investigación realmente se centra en la electrónica flexible y elástica para aplicaciones de detección, al tiempo que trata de desarrollar materiales innovadores y fabricar precisamente para sistemas electrónicos flexibles. Los electrodos flexibles y estirables son componentes esenciales en los sistemas sensoriales artificiales blandos. A pesar de los recientes avances en electrónica flexible, la mayoría de los electrodos están restringidos por la resolución del patrón o la capacidad de impresión de inyección de tinta, materiales súper elásticos de alta viscosidad.En este protocolo, hemos demostrado un nuevo método de impresión basado en canales microfluídicos para electrodos estirables. El material conductor del electrodo, el piso ECPC, se puede raspar en el microcanal, formando así un polímero conductor que exhibe una capacidad de estiramiento tan alta como el sustrato PDMS. En comparación con las acciones producidas por los métodos de fabricación existentes, como la impresión de inyección de tinta, la impresión por raspado, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, los electrones blandos basados en canales microfluídicos propuestos tienen las ventajas de una alta resolución de impresión y una alta capacidad de estiramiento, con una fuerte unión al sustrato.El protocolo presentado en esta investigación combina el matrimonio de materiales estirables y canales microfluídicos, lo que permite un método de aplicación rápido y de bajo costo para producir electrones estirables de alta resolución para aplicaciones de detección táctil robótica blanda.