אלקטרודות רכות מבוססות תעלה מיקרופלואידית ויישומן בחישת לחץ קיבולי
Summary
לאלקטרודות גמישות יש מגוון רחב של יישומים ברובוטיקה רכה ובאלקטרוניקה לבישה. הפרוטוקול הנוכחי מדגים אסטרטגיה חדשה לייצור אלקטרודות נמתחות מאוד ברזולוציה גבוהה באמצעות ערוצים מיקרופלואידים המוגדרים בליתוגרפיה, מה שסולל את הדרך לחיישני לחץ רך עתידיים בעלי ביצועים גבוהים.
Abstract
אלקטרודות גמישות ונמתחות הן רכיבים חיוניים במערכות חישה מלאכותיות רכות. למרות ההתקדמות האחרונה באלקטרוניקה גמישה, רוב האלקטרודות מוגבלות על ידי רזולוציית הדפוס או היכולת של הדפסת הזרקת דיו עם חומרים סופר-אלסטיים בעלי צמיגות גבוהה. במאמר זה, אנו מציגים אסטרטגיה פשוטה לייצור אלקטרודות מרוכבות נמתחות מבוססות מיקרו-ערוצים, אשר ניתן להשיג על ידי גירוד תרכובות פולימר מוליכות אלסטיות (ECPCs) לתעלות מיקרופלואידיות מובלטות ליתוגרפיות. ה-ECPCs הוכנו בשיטת אידוי ממסים נדיפים, המשיגה פיזור אחיד של ננו-צינוריות פחמן (CNT) במטריצה פולידימתילסילוקסאן (PDMS). בהשוואה לשיטות ייצור קונבנציונליות, הטכניקה המוצעת יכולה להקל על ייצור מהיר של אלקטרודות מוגדרות היטב הניתנות למתיחה עם תרחיף צמיגות גבוהה. מכיוון שהאלקטרודות בעבודה זו היו מורכבות מחומרים אלסטומריים לחלוטין, ניתן ליצור קשרי גומלין חזקים בין האלקטרודות מבוססות ECPCs לבין המצע מבוסס PDMS בממשקים של דפנות המיקרו-ערוצים, מה שמאפשר לאלקטרודות להפגין חוסן מכני תחת מתחים גבוהים. בנוסף, התגובה המכנית-חשמלית של האלקטרודות נחקרה גם היא באופן שיטתי. לבסוף, חיישן לחץ רך פותח על ידי שילוב של קצף סיליקון דיאלקטרי ושכבת אלקטרודות בין-ספרתיות (IDE), וזה הדגים פוטנציאל גדול לחיישני לחץ ביישומי חישה רובוטיים רכים.
Introduction
חיישני לחץ רך נחקרו באופן נרחב ביישומים כגון גריפרים רובוטיים פנאומטיים1, אלקטרוניקה לבישה2, מערכות ממשק אדם-מכונה3 וכו ‘. ביישומים כאלה, מערכת החישה דורשת גמישות ומתיחה כדי להבטיח מגע קונפורמי עם משטחים עקומים שרירותיים. לכן, הוא דורש את כל המרכיבים החיוניים, כולל המצע, אלמנט המתמר והאלקטרודה, כדי לספק פונקציונליות עקבית בתנאי עיוות קיצוניים4. יתר על כן, כדי לשמור על ביצועי חישה גבוהים, חיוני לשמור על השינויים באלקטרודות הרכות לרמה מינימלית כדי למנוע הפרעה באותות החישה החשמלית5.
כאחד מרכיבי הליבה בחיישני לחץ רך, אלקטרודות נמתחות המסוגלות לעמוד ברמות מתח ומאמץ גבוהות חיוניות למכשיר כדי לשמור על מסלולים מוליכים יציבים ומאפייני עכבה 6,7. אלקטרודות רכות עם ביצועים מצוינים בדרך כלל בעלות 1) רזולוציה מרחבית גבוהה בקנה מידה מיקרומטרי 2) יכולת מתיחה גבוהה עם חיבור חזק למצע, ואלה הם מאפיינים חיוניים כדי לאפשר אלקטרוניקה רכה משולבת מאוד בגודל לביש8. לכן, לאחרונה הוצעו אסטרטגיות שונות לפיתוח אלקטרודות רכות בעלות התכונות הנ”ל, כגון הדפסת הזרקת דיו, הדפסת מסך, הדפסת ספריי והדפסת העברה ועוד. 9. שיטת הדפסת הזרקת דיו6 נמצאת בשימוש נרחב בשל יתרונותיה של ייצור פשוט, ללא דרישת מיסוך וכמות נמוכה של פסולת חומרים, אך קשה להשיג תבניות ברזולוציה גבוהה בשל מגבלות מבחינת צמיגות הדיו. הדפסת רשת10 והדפסת ספריי11 הן שיטות דפוס פשוטות וחסכוניות הדורשות מסיכת צל על המצע. עם זאת, פעולת הנחת או הסרת המסכה עלולה להפחית את בהירות דוגמת המילוי. למרות שדווח כי הדפסת העברה4 היא דרך מבטיחה להשיג הדפסה ברזולוציה גבוהה, שיטה זו סובלת מהליך מסובך ומתהליך הדפסה הגוזל זמן. יתר על כן, לרוב האלקטרודות הרכות המיוצרות בשיטות דפוס אלה יש חסרונות אחרים, כגון דלמינציה מהמצע.
בזאת, אנו מציגים שיטת הדפסה חדשנית לייצור מהיר של אלקטרודות רכות חסכוניות ברזולוציה גבוהה המבוססות על תצורות תעלה מיקרופלואידית. בהשוואה לשיטות ייצור קונבנציונליות אחרות, האסטרטגיה המוצעת משתמשת בחומרים מרוכבים פולימריים מוליכים אלסטיים (ECPCs) כחומר מוליך ותעלות מיקרופלואידיות מובלטות ליתוגרפית כדי לעצב את עקבות האלקטרודות. תרחיף ECPCs מוכן בשיטת אידוי הממס ומורכב מננו-צינוריות פחמן (CNT) של 7 wt.% המפוזרים היטב במטריצה פולידימתילסילוקסאן (PDMS). על ידי גירוד ה- ECPCs slurry לתוך התעלה המיקרופלואידית, אלקטרודות ברזולוציה גבוהה המוגדרות על ידי תבניות ליתוגרפיות. בנוסף, מכיוון שהאלקטרודה מבוססת בעיקר על PDMS, נוצר קשר חזק בממשק בין האלקטרודה מבוססת ECPCs לבין מצע PDMS. לפיכך, האלקטרודה יכולה לשמור על רמת מתיחה גבוהה כמו מצע PDMS. תוצאות הניסוי מאשרות כי האלקטרודה הנמתחת המוצעת יכולה להגיב באופן ליניארי לזנים ציריים עד 30% ולהפגין יציבות מצוינת בטווח לחץ גבוה של 0-400 kPa, מה שמצביע על הפוטנציאל הגדול של שיטה זו לייצור אלקטרודות רכות בחיישני לחץ קיבוליים, אשר מודגם גם בעבודה זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול זה, הדגמנו שיטת הדפסה חדשנית מבוססת תעלה מיקרופלואידית עבור אלקטרודות נמתחות. החומר המוליך של האלקטרודה, תרחיף ECPCs, יכול להיות מוכן בשיטת אידוי הממס, המאפשרת ל-CNT להיות מפוזרים היטב לתוך מטריצת PDMS, ובכך ליצור פולימר מוליך המציג יכולת מתיחה גבוהה כמו מצע PDMS.
בתהליך ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק 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).
