Elettrodi morbidi basati su canali microfluidici e loro applicazione nel rilevamento capacitivo della pressione

I sensori di pressione morbida sono stati ampiamente esplorati in applicazioni come pinze pneumatiche robotiche¹, elettronica indossabile², sistemi di interfaccia uomo-macchina³, ecc. In tali applicazioni, il sistema sensoriale richiede flessibilità ed elasticità per garantire un contatto conforme con superfici curvilinee arbitrarie. Pertanto, richiede tutti i componenti essenziali, inclusi il substrato, l’elemento trasduttore e l’elettrodo, per fornire funzionalità coerenti in condizioni di deformazione estreme⁴. Inoltre, per mantenere elevate prestazioni di rilevamento, è essenziale mantenere le variazioni degli elettrodi morbidi al livello minimo per evitare interferenze nei segnali di rilevamento elettrico⁵.

Come uno dei componenti principali nei sensori di pressione morbida, gli elettrodi estensibili in grado di sostenere elevati livelli di stress e deformazione sono fondamentali affinché il dispositivo preservi percorsi conduttivi stabili e caratteristiche di impedenza ^6,7. Gli elettrodi morbidi con prestazioni eccellenti di solito possiedono 1) alta risoluzione spaziale alla scala micrometrica e 2) elevata elasticità con forte legame al substrato, e queste sono caratteristiche indispensabili per consentire un’elettronica morbida altamente integrata in una dimensione indossabile⁸. Pertanto, recentemente sono state proposte varie strategie per sviluppare elettrodi morbidi con le proprietà di cui sopra, come la stampa a getto d’inchiostro, la serigrafia, la stampa a spruzzo e la stampa transfer, ecc. ⁹. Il metodo di stampa a getto d’inchiostro⁶ è stato ampiamente utilizzato grazie ai suoi vantaggi di fabbricazione semplice, nessun requisito di mascheratura e una bassa quantità di spreco di materiale, ma è difficile ottenere modelli ad alta risoluzione a causa delle limitazioni in termini di viscosità dell’inchiostro. La serigrafia¹⁰ e la stampa a spruzzo¹¹ sono metodi di modellazione semplici ed economici che richiedono una maschera d’ombra sul substrato. Tuttavia, l’operazione di posizionamento o rimozione della maschera può ridurre la chiarezza della serie. Sebbene la stampa transfer⁴ sia stata segnalata come un modo promettente per ottenere una stampa ad alta risoluzione, questo metodo soffre di una procedura complicata e di un processo di stampa che richiede tempo. Inoltre, la maggior parte degli elettrodi morbidi prodotti da questi metodi di modellazione presentano altri svantaggi, come la delaminazione dal substrato.

Qui presentiamo un nuovo metodo di stampa per la fabbricazione rapida di elettrodi morbidi economici e ad alta risoluzione basati su configurazioni di canali microfluidici. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione convenzionali, la strategia proposta utilizza compositi polimerici conduttivi elastici (ECPC) come materiale conduttivo e canali microfluidici litograficamente goffrati per modellare le tracce degli elettrodi. Il liquame ECPCs è preparato con il metodo di evaporazione con solvente ed è costituito da 7 nanotubi di carbonio (CNT) ben dispersi in una matrice di polidimetilsilossano (PDMS). Raschiando il liquame ECPCs nel canale microfluidico, è possibile produrre elettrodi ad alta risoluzione definiti da pattern litografici. Inoltre, poiché l’elettrodo è basato principalmente su PDMS, viene creato un forte legame all’interfaccia tra l’elettrodo basato su ECPC e il substrato PDMS. Pertanto, l’elettrodo può sostenere un livello di allungamento alto quanto il substrato PDMS. I risultati sperimentali confermano che l’elettrodo estensibile proposto può rispondere linearmente alle deformazioni assiali fino al 30% e mostrare un’eccellente stabilità in un intervallo di alta pressione di 0-400 kPa, indicando il grande potenziale di questo metodo per fabbricare elettrodi morbidi in sensori di pressione capacitivi, che è anche dimostrato in questo lavoro.