Mikrofluidische kanalbasierte Weichelektroden und ihre Anwendung in der kapazitiven Druckmessung

Weichdrucksensoren sind in Anwendungen wie pneumatischen Robotergreifern¹, tragbarer Elektronik², Mensch-Maschine-Schnittstellensystemen³ usw. weit verbreitet. In solchen Anwendungen erfordert das sensorische System Flexibilität und Dehnbarkeit, um einen konformen Kontakt mit beliebigen krummlinigen Oberflächen zu gewährleisten. Daher sind alle wesentlichen Komponenten, einschließlich des Substrats, des Wandlerelements und der Elektrode, erforderlich, um eine gleichbleibende Funktionalität unter extremen Verformungsbedingungen^{zu gewährleisten 4}. Um eine hohe Erfassungsleistung aufrechtzuerhalten, ist es außerdem wichtig, die Änderungen in den weichen Elektroden auf ein Minimum zu beschränken, um Interferenzen in den elektrischen Erfassungssignalen⁵ zu vermeiden.

Als eine der Kernkomponenten von Weichdrucksensoren sind dehnbare Elektroden, die hohen Spannungs- und Dehnungsniveaus standhalten können, entscheidend für das Gerät, um stabile Leiterbahnen und Impedanzeigenschaften zu erhalten ^6,7. Weiche Elektroden mit hervorragender Leistung besitzen in der Regel 1) eine hohe räumliche Auflösung im Mikrometerbereich und 2) eine hohe Dehnbarkeit mit starker Bindung an das Substrat, und dies sind unverzichtbare Eigenschaften, um eine hochintegrierte weiche Elektronik in einer tragbaren Größe⁸ zu ermöglichen. Daher wurden in letzter Zeit verschiedene Strategien vorgeschlagen, um weiche Elektroden mit den oben genannten Eigenschaften zu entwickeln, wie z. B. Tintenstrahldruck, Siebdruck, Sprühdruck und Transferdruck usw. ⁹. Das Tintenstrahldruckverfahren⁶ ist aufgrund seiner Vorteile der einfachen Herstellung, der fehlenden Maskierungsanforderung und der geringen Menge an Materialabfall weit verbreitet, aber es ist schwierig, aufgrund von Einschränkungen in Bezug auf die Tintenviskosität eine hochauflösende Strukturierung zu erreichen. Der Siebdruck¹⁰ und der Sprühdruck¹¹ sind einfache und kostengünstige Strukturierungsverfahren, die eine Schattenmaske auf dem Substrat erfordern. Das Platzieren oder Entfernen der Maske kann jedoch die Klarheit der Musterung verringern. Obwohl der Transferdruck⁴ als vielversprechender Weg zum hochauflösenden Druck gilt, leidet diese Methode unter einem komplizierten Verfahren und einem zeitaufwändigen Druckprozess. Darüber hinaus weisen die meisten der durch diese Strukturierungsverfahren hergestellten weichen Elektroden weitere Nachteile auf, wie z. B. eine Delamination vom Substrat.

In dieser Arbeit stellen wir ein neuartiges Druckverfahren zur schnellen Herstellung kostengünstiger und hochauflösender weicher Elektroden vor, die auf mikrofluidischen Kanalkonfigurationen basieren. Im Vergleich zu anderen konventionellen Herstellungsmethoden verwendet die vorgeschlagene Strategie elastische leitfähige Polymerkomposite (ECPCs) als leitfähiges Material und lithographisch geprägte mikrofluidische Kanäle zur Strukturierung der Elektrodenleiterbahnen. Die ECPCs-Aufschlämmung wird nach der Lösungsmittelverdampfungsmethode hergestellt und besteht aus 7 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die in einer Polydimethylsiloxan-Matrix (PDMS) gut dispergiert sind. Durch das Abkratzen des ECPCs-Slurry in den mikrofluidischen Kanal können hochauflösende Elektroden hergestellt werden, die durch lithographische Strukturierung definiert sind. Da die Elektrode hauptsächlich auf PDMS basiert, entsteht außerdem eine starke Bindung an der Grenzfläche zwischen der ECPCs-basierten Elektrode und dem PDMS-Substrat. So kann die Elektrode ein Dehnungsniveau aushalten, das so hoch ist wie das PDMS-Substrat. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die vorgeschlagene dehnbare Elektrode linear auf axiale Dehnungen von bis zu 30% reagieren kann und eine ausgezeichnete Stabilität in einem Hochdruckbereich von 0-400 kPa aufweist, was auf das große Potenzial dieser Methode zur Herstellung weicher Elektroden in kapazitiven Drucksensoren hinweist, das auch in dieser Arbeit demonstriert wird.