基于微流体通道的柔性电极及其在电容式压力传感中的应用

我们的研究主要聚焦于用于传感应用的柔性与可拉伸电子器件，同时致力于开发用于柔性电子系统的创新材料和制造工艺。柔性与可拉伸电极是柔性人工感知系统中的核心组件。尽管柔性电子技术已取得近期进展，但大多数电极仍受限于打印分辨率或难以实现高粘度超弹性材料的喷墨打印。

在本方案中，我们展示了一种基于普通微流控通道的可拉伸电极打印方法。电极的导电材料即 ECPC 浆料，可被刮入微通道中，从而形成一种导电聚合物，其拉伸性能可达到 PDMS 基底的同等水平。与现有制造方法（如喷射打印、刮涂打印、喷涂打印和转移打印）制备的电极相比，所提出的基于微流控通道的柔性电极具有打印分辨率高、拉伸性能优异以及与基底结合牢固等优势。

本研究中介绍的方案结合了可拉伸材料与微流体通道的优点，实现了一种低成本、快速制备高分辨率可拉伸电子器件的方法，适用于软体机器人潜在感知应用。首先，将碳纳米管（CNTs）以1:30的质量比分散于甲苯溶剂中。然后，以相等质量比用甲苯稀释PDMS基底。

在室温下将碳纳米管甲苯悬浮液和聚二甲基硅氧烷（PDMS）甲苯溶液磁力搅拌一小时。将制备好的悬浮液与溶液混合，形成液态碳纳米管-PDMS甲苯混合物，并在80摄氏度的加热板上磁力搅拌以蒸发甲苯。随后按10:1的质量比将PDMS固化剂加入该混合物中，完成导电聚合物复合材料（ECPC）浆料的合成。

为了制备基于微流道的可拉伸电极，按10:1的质量比混合PDMS溶液与固化剂，并将未固化的PDMS混合物置于真空干燥器中，直至所有气泡完全消失。在硅晶圆上使用常规光刻技术制备具有不同微流道图案的SU-8模具。随后将脱气后的混合物倒入制备好的模具中，并将模具置于85摄氏度的加热板上加热一小时，使PDMS固化，并将SU-8模具的图案转移至固化的PDMS薄膜上。

然后剥离PDMS层。接着，将少量合成的ECPC浆料浇注到PDMS表面，用剃刀刀片沿凸起的微流控通道仔细刮涂浆料。随后在70摄氏度下加热浆料2小时。

最后，使用导电银浆将铜线连接到制备好的电极两端，并用粘性橡胶密封剂密封连接处。通过本方案可制备具有不同走线设计和打印分辨率的柔性电极。由于有效长度更长，电极电阻随线宽减小而增加，且蛇形电极的电阻高于直线结构电极。

由于几何效应引起的拉伸应变，电极的电阻呈线性增加。由于应变释放效应，蛇形电极的灵敏度低于直线结构电极。在组装电容式压力传感器时，应采用具有叉指边缘效应设计的柔性电极。

按1:1和6:1的质量比混合铂金硅胶柔性泡沫的两种组分，快速搅拌，以制备具有两种孔径尺寸的软质硅胶泡沫介电层。将混合物倒入3D打印模具中，并用带有多个孔洞的板覆盖。待混合物固化后，剪断从孔洞中穿出的硅胶泡沫，并移除盖板。

最后，将制备好的介电泡沫放置在叉指型柔性电极层上，以完成压力传感器的制备。线宽为200微米的器件由于边缘电场效应更强，因而具有更高的灵敏度；同时，A组分与B组分质量比较高的泡沫也比含气量较低的泡沫具有更高的灵敏度。循环测试表明，所制备的柔性电容式传感器在1000次循环加压过程中保持了良好的重复性。