Мягкие электроды на основе микрофлюидных каналов и их применение в емкостном измерении давления

Мягкие датчики давления широко используются в таких приложениях, как пневматические роботизированные захваты¹, носимая электроника², системы человеко-машинного интерфейса³ и т. д. В таких приложениях сенсорная система требует гибкости и растяжимости для обеспечения конформного контакта с произвольными криволинейными поверхностями. Следовательно, для обеспечения постоянной функциональности в экстремальных условиях^{деформации 4} требуются все основные компоненты, включая подложку, преобразующий элемент и электрод. Кроме того, для поддержания высоких характеристик срабатывания датчиков важно поддерживать изменения в мягких электродах на минимальном уровне, чтобы избежать помех в электрических чувствительных сигналах⁵.

В качестве одного из основных компонентов датчиков мягкого давления растягивающиеся электроды, способные выдерживать высокие уровни напряжения и деформации, имеют решающее значение для устройства для сохранения стабильных проводящих путей и импедансных характеристик ^6,7. Мягкие электроды с отличными характеристиками обычно обладают: 1) высоким пространственным разрешением в микрометровом масштабе и 2) высокой растяжимостью с прочным сцеплением с подложкой, и это незаменимые характеристики для обеспечения высокоинтегрированной мягкой электроники в носимом размере⁸. Поэтому в последнее время были предложены различные стратегии для разработки мягких электродов с вышеуказанными свойствами, таких как струйная печать, трафаретная печать, распылительная печать, трансферная печать и т. Д. ⁹. Метод струйной печати⁶ широко используется из-за его преимуществ простого изготовления, отсутствия необходимости маскировки и небольшого количества отходов материала, но трудно добиться рисунка с высоким разрешением из-за ограничений с точки зрения вязкости чернил. Трафаретная печать¹⁰ и распылительная печать¹¹ являются простыми и экономичными методами нанесения рисунка, требующими нанесения теневой маски на подложку. Однако операция по размещению или снятию маски может снизить четкость рисунка. Хотя сообщалось, что трансферная печать⁴ является многообещающим способом достижения печати с высоким разрешением, этот метод страдает от сложной процедуры и трудоемкого процесса печати. Кроме того, большинство мягких электродов, полученных с помощью этих методов нанесения рисунка, имеют другие недостатки, такие как расслоение от подложки.

Здесь мы представляем новый метод печати для быстрого изготовления экономичных мягких электродов с высоким разрешением на основе конфигураций микрофлюидных каналов. По сравнению с другими традиционными методами изготовления, предлагаемая стратегия использует эластичные проводящие полимерные композиты (ECPC) в качестве проводящего материала и литографически тисненые микрофлюидные каналы для нанесения рисунка на следы электродов. Суспензия ECPCs готовится методом выпаривания растворителем и состоит из 7 мас.% углеродных нанотрубок (УНТ), хорошо диспергированных в матрице полидиметилсилоксана (ПДМС). Соскабливая суспензию ECPC в микрофлюидный канал, можно получить электроды с высоким разрешением, определяемые литографическим рисунком. Кроме того, поскольку электрод в основном основан на PDMS, на границе раздела между электродом на основе ECPC и подложкой PDMS создается прочная связь. Таким образом, электрод может выдерживать уровень растяжения, такой же высокий, как подложка PDMS. Экспериментальные результаты подтверждают, что предложенный растягиваемый электрод может линейно реагировать на осевые деформации до 30% и проявлять превосходную стабильность в диапазоне высокого давления 0-400 кПа, что указывает на большой потенциал этого метода для изготовления мягких электродов в емкостных датчиках давления, что также продемонстрировано в данной работе.