Eletrodos macios baseados em canais microfluídicos e sua aplicação em sensoriamento capacitivo de pressão

Sensores de pressão suave têm sido amplamente explorados em aplicações como pinças robóticas pneumáticas¹, eletrônica vestível², sistemas de interface homem-máquina³, etc. Em tais aplicações, o sistema sensorial requer flexibilidade e elasticidade para garantir o contato conformado com superfícies curvilíneas arbitrárias. Portanto, requer todos os componentes essenciais, incluindo o substrato, o elemento transdutor e o eletrodo, para fornecer funcionalidade consistente sob condições extremas de deformação⁴. Além disso, para manter o alto desempenho de sensoriamento, é essencial manter as mudanças nos eletrodos moles ao nível mínimo para evitar interferência nos sinais de sensoriamento elétrico⁵.

Como um dos componentes centrais dos sensores de soft pressão, eletrodos esticáveis capazes de sustentar altos níveis de tensão e deformação são cruciais para que o dispositivo preserve as vias condutoras estáveis e as características de impedância ^6,7. Eletrodos macios com excelente desempenho geralmente possuem 1) alta resolução espacial na escala micrométrica e 2) alta elasticidade com forte aderência ao substrato, e estas são características indispensáveis para permitir eletrônica macia altamente integrada em um tamanho vestível⁸. Portanto, várias estratégias têm sido propostas recentemente para desenvolver eletrodos macios com as propriedades acima, tais como impressão a jato de tinta, serigrafia, spray printing, impressão por transferência, etc. ⁹. O método de impressão a jato de tinta⁶ tem sido amplamente utilizado devido às suas vantagens de fabricação simples, sem necessidade de mascaramento e uma baixa quantidade de desperdício de material, mas é difícil alcançar padrões de alta resolução devido a limitações em termos de viscosidade da tinta. A serigrafia¹⁰ e a spray printing¹¹ são métodos de padronização simples e econômicos que exigem uma máscara de sombra no substrato. No entanto, a operação de colocar ou remover a máscara pode reduzir a clareza da padronização. Embora a impressão por transferência⁴ tenha sido relatada como uma maneira promissora de obter impressão de alta resolução, este método sofre de um procedimento complicado e um processo de impressão demorado. Além disso, a maioria dos eletrodos moles produzidos por esses métodos de padronização tem outras desvantagens, como a delaminação do substrato.

Neste artigo, apresentamos um novo método de impressão para a fabricação rápida de eletrodos macios econômicos e de alta resolução baseados em configurações de canais microfluídicos. Em comparação com outros métodos convencionais de fabricação, a estratégia proposta utiliza compósitos poliméricos condutores elásticos (ECPCs) como material condutor e canais microfluídicos em relevo litográfico para padronizar os traços dos eletrodos. A lama de ECPCs é preparada pelo método de evaporação de solvente e consiste de 7% em peso de nanotubos de carbono (CNTs) bem dispersos em uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Ao raspar a lama de ECPCs no canal microfluídico, eletrodos de alta resolução definidos por padrões litográficos podem ser produzidos. Além disso, como o eletrodo é baseado principalmente em PDMS, uma forte ligação é criada na interface entre o eletrodo baseado em ECPCs e o substrato PDMS. Assim, o eletrodo pode sustentar um nível de estiramento tão alto quanto o substrato PDMS. Os resultados experimentais confirmam que o eletrodo esticável proposto pode responder linearmente a deformações axiais de até 30% e apresentar excelente estabilidade em uma faixa de alta pressão de 0-400 kPa, indicando o grande potencial deste método para a fabricação de eletrodos moles em sensores capacitivos de pressão, o que também é demonstrado neste trabalho.