Electrodos blandos basados en canales microfluídicos y su aplicación en la detección de presión capacitiva

Los sensores de presión suave se han explorado ampliamente en aplicaciones como pinzas robóticas neumáticas¹, electrónica portátil², sistemas de interfaz hombre-máquina³, etc. En tales aplicaciones, el sistema sensorial requiere flexibilidad y capacidad de estiramiento para garantizar el contacto conforme con superficies curvilíneas arbitrarias. Por lo tanto, requiere que todos los componentes esenciales, incluidos el sustrato, el elemento transductor y el electrodo, proporcionen una funcionalidad consistente en condiciones extremas de deformación⁴. Además, para mantener un alto rendimiento de detección, es esencial mantener los cambios en los electrodos blandos al nivel mínimo para evitar interferencias en las señales de detección eléctrica⁵.

Como uno de los componentes centrales en los sensores de presión blanda, los electrodos estirables capaces de soportar altos niveles de tensión y deformación son cruciales para que el dispositivo preserve vías conductoras estables y características de impedancia ^6,7. Los electrodos blandos con excelente rendimiento generalmente poseen 1) alta resolución espacial a escala micrométrica y 2) alta capacidad de estiramiento con una fuerte unión al sustrato, y estas son características indispensables para permitir una electrónica blanda altamente integrada en un tamaño portátil⁸. Por lo tanto, recientemente se han propuesto varias estrategias para desarrollar electrodos blandos con las propiedades anteriores, como la impresión por chorro de tinta, la serigrafía, la impresión por pulverización y la impresión por transferencia, etc. ⁹. El método de impresión de inyección de tinta⁶ ha sido ampliamente utilizado debido a sus ventajas de fabricación simple, sin requisitos de enmascaramiento y una baja cantidad de desperdicio de material, pero es difícil lograr patrones de alta resolución debido a las limitaciones en términos de viscosidad de la tinta. La serigrafía¹⁰ y la impresión por pulverización¹¹ son métodos de modelado simples y rentables que requieren una máscara de sombra en el sustrato. Sin embargo, la operación de colocar o quitar la máscara puede reducir la claridad del patrón. Aunque se ha informado que la impresión por transferencia⁴ es una forma prometedora de lograr la impresión de alta resolución, este método sufre de un procedimiento complicado y un proceso de impresión que consume mucho tiempo. Además, la mayoría de los electrodos blandos producidos por estos métodos de patrón tienen otras desventajas, como la delaminación del sustrato.

Aquí, presentamos un novedoso método de impresión para la fabricación rápida de electrodos blandos rentables y de alta resolución basados en configuraciones de canales microfluídicos. En comparación con otros métodos de fabricación convencionales, la estrategia propuesta utiliza compuestos de polímeros conductores elásticos (ECPC) como material conductor y canales microfluídicos en relieve litográficamente para modelar las trazas de electrodos. La suspensión ECPC se prepara por el método de evaporación con disolvente y consiste en un 7% en peso de nanotubos de carbono (CNT) bien dispersos en una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS). Al raspar la suspensión de ECPC en el canal microfluídico, se pueden producir electrodos de alta resolución definidos por patrones litográficos. Además, dado que el electrodo se basa principalmente en PDMS, se crea una fuerte unión en la interfaz entre el electrodo basado en ECPC y el sustrato PDMS. Por lo tanto, el electrodo puede mantener un nivel de estiramiento tan alto como el sustrato PDMS. Los resultados experimentales confirman que el electrodo estirable propuesto puede responder linealmente a deformaciones axiales de hasta el 30% y exhibir una excelente estabilidad en un rango de alta presión de 0-400 kPa, lo que indica el gran potencial de este método para fabricar electrodos blandos en sensores de presión capacitivos, que también se demuestra en este trabajo.