Microfluïdische kanaalgebaseerde zachte elektroden en hun toepassing in capacitieve drukdetectie
Summary
Flexibele elektroden hebben een breed scala aan toepassingen in zachte robotica en draagbare elektronica. Het huidige protocol demonstreert een nieuwe strategie om zeer rekbare elektroden met hoge resolutie te fabriceren via lithografisch gedefinieerde microfluïdische kanalen, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige hoogwaardige zachte druksensoren.
Abstract
Flexibele en rekbare elektroden zijn essentiële componenten in zachte kunstmatige sensorische systemen. Ondanks recente ontwikkelingen in flexibele elektronica, worden de meeste elektroden beperkt door de patroonresolutie of de mogelijkheid van inkjetprinten met superelastische materialen met een hoge viscositeit. In dit artikel presenteren we een eenvoudige strategie om op microkanalen gebaseerde rekbare composietelektroden te fabriceren, die kunnen worden bereikt door elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC’s) in lithografisch reliëf microfluïdische kanalen te schrapen. De ECPC’s werden bereid met behulp van een verdampingsmethode met vluchtige oplosmiddelen, waarbij een uniforme dispersie van koolstofnanobuisjes (CNT’s) in een polydimethylsiloxaan (PDMS) matrix wordt bereikt. In vergelijking met conventionele fabricagemethoden kan de voorgestelde techniek de snelle fabricage van goed gedefinieerde rekbare elektroden met slurry met hoge viscositeit vergemakkelijken. Omdat de elektroden in dit werk waren opgebouwd uit volledig elastomeermaterialen, kunnen sterke onderlinge verbindingen worden gevormd tussen de op ECPC’s gebaseerde elektroden en het op PDMS gebaseerde substraat op de interfaces van de microkanaalwanden, waardoor de elektroden mechanische robuustheid kunnen vertonen onder spanningen met hoge treksterkte. Daarnaast werd ook de mechanisch-elektrische respons van de elektroden systematisch bestudeerd. Ten slotte werd een zachte druksensor ontwikkeld door een diëlektrisch siliconenschuim en een interdigitated electrodes (IDE) -laag te combineren, en dit toonde een groot potentieel voor druksensoren in zachte robotachtige tactiele detectietoepassingen.
Introduction
Zachte druksensoren zijn op grote schaal onderzocht in toepassingen zoals pneumatische robotgrijpers1, draagbare elektronica2, mens-machine-interfacesystemen3, enz. In dergelijke toepassingen vereist het sensorische systeem flexibiliteit en rekbaarheid om conformaal contact met willekeurige kromlijnige oppervlakken te garanderen. Daarom vereist het alle essentiële componenten, inclusief het substraat, het transducerende element en de elektrode, om consistente functionaliteit te bieden onder extreme vervormingsomstandigheden4. Om hoge detectieprestaties te behouden, is het bovendien essentieel om de veranderingen in de zachte elektroden tot het minimumniveau te beperken om interferentie in de elektrische detectiesignalen te voorkomen5.
Als een van de kerncomponenten in zachte druksensoren zijn rekbare elektroden die hoge spannings- en rekniveaus kunnen ondersteunen cruciaal voor het apparaat om stabiele geleidende paden en impedantie-eigenschappen te behouden 6,7. Zachte elektroden met uitstekende prestaties bezitten meestal 1) hoge ruimtelijke resolutie op micrometerschaal en 2) hoge rekbaarheid met sterke hechting aan het substraat, en dit zijn onmisbare kenmerken om sterk geïntegreerde zachte elektronica in een draagbare maat8 mogelijk te maken. Daarom zijn onlangs verschillende strategieën voorgesteld om zachte elektroden te ontwikkelen met de bovenstaande eigenschappen, zoals inkjetdruk, zeefdruk, spuitdruk en transferdruk, enz. 9. De inkjetdrukmethode6 is veel gebruikt vanwege de voordelen van eenvoudige fabricage, geen maskeringsvereiste en een lage hoeveelheid materiaalafval, maar het is moeilijk om patronen met een hoge resolutie te bereiken vanwege beperkingen in termen van de inktviscositeit. Zeefdruk10 en spuitdruk11 zijn eenvoudige en kosteneffectieve patroonmethoden die een schaduwmasker op het substraat vereisen. De werking van het plaatsen of verwijderen van het masker kan echter de helderheid van het patroon verminderen. Hoewel transfer printing4 naar verluidt een veelbelovende manier is om afdrukken met een hoge resolutie te bereiken, lijdt deze methode aan een gecompliceerde procedure en een tijdrovend afdrukproces. Bovendien hebben de meeste zachte elektroden die door deze patroonmethoden worden geproduceerd andere nadelen, zoals delaminatie van het substraat.
Hierin presenteren we een nieuwe afdrukmethode voor de snelle fabricage van kosteneffectieve en hoge resolutie zachte elektroden op basis van microfluïdische kanaalconfiguraties. In vergelijking met andere conventionele fabricagemethoden maakt de voorgestelde strategie gebruik van elastische geleidende polymeercomposieten (ECPC’s) als het geleidende materiaal en lithografisch reliëf microfluïdische kanalen om de elektrodesporen te modelleren. De ECPCs-slurry wordt bereid volgens de oplosmiddelverdampingsmethode en bestaat uit 7 wt.% koolstofnanobuisjes (CNT’s) die goed zijn gedispergeerd in een polydimethylsiloxaan (PDMS) matrix. Door de drijfmest van de ECPC’s in het microfluïdische kanaal te schrapen, kunnen elektroden met een hoge resolutie worden geproduceerd die worden gedefinieerd door lithografische patronen. Omdat de elektrode voornamelijk gebaseerd is op PDMS, wordt bovendien een sterke hechting gecreëerd op het grensvlak tussen de op ECPC’s gebaseerde elektrode en het PDMS-substraat. Zo kan de elektrode een rekniveau zo hoog als het PDMS-substraat ondersteunen. De experimentele resultaten bevestigen dat de voorgestelde rekbare elektrode lineair kan reageren op axiale spanningen tot 30% en een uitstekende stabiliteit vertoont in een hogedrukbereik van 0-400 kPa, wat wijst op het grote potentieel van deze methode voor het fabriceren van zachte elektroden in capacitieve druksensoren, wat ook in dit werk wordt aangetoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol hebben we een nieuwe microfluïdische kanaalgebaseerde printmethode voor rekbare elektroden gedemonstreerd. Het geleidende materiaal van de elektrode, de ECPCs-slurry, kan worden bereid met behulp van de oplosmiddelverdampingsmethode, waardoor de CNT’s goed kunnen worden gedispergeerd in de PDMS-matrix, waardoor een geleidend polymeer wordt gevormd dat een rekbaarheid vertoont die zo hoog is als het PDMS-substraat.
In het schraapproces wordt de drijfmest van ECPC’s snel gevuld …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant 62273304.
Materials
| 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 |
References
- Sun, Z. D., et al. Artificial intelligence of things (AIoT) enabled virtual shop applications using self-powered sensor enhanced soft robotic manipulator. Advanced Science. 8 (14), 2100230 (2021).
- Lo, L. -. W., et al. Inkjet-printed soft resistive pressure sensor patch for wearable electronics applications. Advanced Materials Technology. 5 (1), 1900717 (2020).
- Zhu, M. L., et al. Haptic-feedback smart glove as a creative human-machine interface (HMI) for virtual/augmented reality applications. Science Advances. 6 (19), (2020).
- Woo, S. -. J., Kong, J. -. H., Kim, D. -. G., Kim, J. -. M. A thin all-elastomeric capacitive pressure sensor array based on micro contact printed elastic conductors. Journal of Materials Chemistry C. 2 (22), 4415-4422 (2012).
- Tang, J., et al. Highly stretchable electrodes on wrinkled polydimethylsiloxane substrates. Scientific Reports. 5, 16527 (2015).
- Lo, L. -. W., et al. An inkjet-printed PEDOT:PSS-based stretchable conductor for wearable health monitoring device applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (18), 21693-21702 (2021).
- Luo, R. -. B., Li, H. -. B., Du, B., Zhou, S. -. S., Zhu, Y. -. X. A simple strategy for high stretchable, flexible and conductive polymer films based on PEDOT:PSS-PDMS blends. Organic Electronics. 76, 105451 (2020).
- Zhang, Y., et al. Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces. Nature Communications. 13, 1317 (2022).
- Hong, S., Lee, S., Kim, D. -. H. Materials and design strategies of stretchable electrodes for electronic skin and its applications. Proceedings of the IEEE. 107 (10), 2185-2197 (2019).
- Shi, H., et al. Screen-printed soft capacitive sensors for spatial mapping of both positive and negative pressures. Advanced Functional Materials. 29 (23), 1809116 (2019).
- Mahmoudinezhad, M. H., Anderson, I., Rosset, S. Interdigitated sensor based on a silicone foam for subtle robotic manipulation. Macromolecular Rapid Communications. 42 (5), 2000560 (2019).
