الأقطاب الكهربائية اللينة القائمة على قناة الموائع الدقيقة وتطبيقاتها في استشعار الضغط السعوي

تم استكشاف مستشعرات الضغط الناعم على نطاق واسع في تطبيقات مثل القابضات الروبوتية^{الهوائية 1} ، والإلكترونيات القابلة للارتداء² ، وأنظمة واجهة الإنسان^{والآلة 3} ، إلخ. في مثل هذه التطبيقات ، يتطلب النظام الحسي المرونة والقدرة على التمدد لضمان الاتصال المطابق مع الأسطح المنحنية التعسفية. لذلك ، فإنه يتطلب جميع المكونات الأساسية ، بما في ذلك الركيزة وعنصر التحويل والقطب الكهربائي ، لتوفير وظائف متسقة في ظل ظروف التشوه الشديدة⁴. علاوة على ذلك ، للحفاظ على أداء الاستشعار العالي ، من الضروري الحفاظ على التغييرات في الأقطاب الكهربائية اللينة إلى الحد الأدنى لتجنب التداخل في إشارات الاستشعار الكهربائية⁵.

كأحد المكونات الأساسية في مستشعرات الضغط الناعم ، تعد الأقطاب الكهربائية القابلة للتمدد القادرة على الحفاظ على مستويات الضغط والإجهاد العالية ضرورية للجهاز للحفاظ على مسارات موصلة مستقرة وخصائص مقاومة ^6,7. عادة ما تمتلك الأقطاب الكهربائية اللينة ذات الأداء الممتاز 1) دقة مكانية عالية على مقياس ميكرومتر و 2) قابلية تمدد عالية مع ارتباط قوي بالركيزة ، وهذه خصائص لا غنى عنها لتمكين الإلكترونيات اللينة المتكاملة للغاية بحجم^يمكن ارتداؤه 8. لذلك ، تم اقتراح استراتيجيات مختلفة مؤخرا لتطوير أقطاب كهربائية ناعمة بالخصائص المذكورة أعلاه ، مثل الطباعة بالحبر النفاث ، وطباعة الشاشة ، والطباعة بالرش ، وطباعة النقل ، وما إلى ذلك. ⁹. تم استخدام طريقة الطباعة بنفث الحبر⁶ على نطاق واسع نظرا لمزاياها المتمثلة في التصنيع البسيط ، وعدم وجود متطلبات إخفاء ، وكمية منخفضة من نفايات المواد ، ولكن من الصعب تحقيق نقوش عالية الدقة بسبب القيود من حيث لزوجة الحبر. طباعة الشاشة¹⁰ والطباعة بالرش¹¹ هي طرق نقش بسيطة وفعالة من حيث التكلفة تتطلب قناع ظل على الركيزة. ومع ذلك ، فإن عملية وضع القناع أو إزالته يمكن أن تقلل من وضوح النقش. على الرغم من أن الطباعة المنقولة⁴ قد تم الإبلاغ عنها لتكون طريقة واعدة لتحقيق طباعة عالية الدقة ، إلا أن هذه الطريقة تعاني من إجراء معقد وعملية طباعة تستغرق وقتا طويلا. علاوة على ذلك ، فإن معظم الأقطاب الكهربائية اللينة التي تنتجها طرق الزخرفة هذه لها عيوب أخرى ، مثل التفريغ من الركيزة.

هنا ، نقدم طريقة طباعة جديدة للتصنيع السريع للأقطاب الكهربائية اللينة الفعالة من حيث التكلفة وعالية الدقة بناء على تكوينات قناة الموائع الدقيقة. بالمقارنة مع طرق التصنيع التقليدية الأخرى ، تستخدم الإستراتيجية المقترحة مركبات البوليمر الموصلة المرنة (ECPCs) كمادة موصلة وقنوات الموائع الدقيقة المنقوشة بالطباعة الحجرية لتصميم آثار القطب. يتم تحضير ملاط ECPCs بطريقة تبخر المذيبات ويتكون من أنابيب نانوية كربونية بوزن 7٪ (CNTs) مشتتة جيدا في مصفوفة polydimethylsiloxane (PDMS). من خلال كشط ملاط ECPCs في قناة الموائع الدقيقة ، يمكن إنتاج أقطاب كهربائية عالية الدقة محددة بواسطة الزخرفة الحجرية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن القطب يعتمد بشكل أساسي على PDMS ، يتم إنشاء روابط قوية عند الواجهة بين القطب القائم على ECPCs والركيزة PDMS. وبالتالي ، يمكن للقطب الكهربائي الحفاظ على مستوى تمدد مرتفع مثل ركيزة PDMS. تؤكد النتائج التجريبية أن القطب الكهربائي القابل للتمدد المقترح يمكن أن يستجيب خطيا للإجهادات المحورية بنسبة تصل إلى 30٪ ويظهر ثباتا ممتازا في نطاق ضغط عال من 0-400 كيلو باسكال ، مما يشير إلى الإمكانات الكبيرة لهذه الطريقة لتصنيع أقطاب كهربائية ناعمة في مستشعرات الضغط السعوي ، وهو ما يتضح أيضا في هذا العمل.