Трансдукционные электроды с микроструктурой, напечатанные методом лазерной абляции, для сенсорных приложений

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6928 (2022) Цитировать эту статью

2423 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе мы представляем простой метод изготовления нескольких емкостных трансдукционных электродов для сенсорных приложений. Для подготовки электродов на подложке из полиметилметакрилата (ПММА) с помощью обычного лазерного гравировального станка были изготовлены линии шириной до 300 мкм. Геометрии, полученные с помощью процесса лазерной абляции, были охарактеризованы с помощью оптической микроскопии на предмет последовательности и точности. Позже геометрические фигуры были покрыты чувствительным слоем из функциональной полимерной пористой целлюлозы для измерения влажности. Полученные датчики были протестированы при различных уровнях относительной влажности (RH). В целом хороший отклик дали датчики с чувствительностью от 0,13 до 2,37 пФ/% относительной влажности. В условиях окружающей среды для всех изготовленных датчиков было отмечено время срабатывания 10 с. Более того, результаты экспериментов показывают, что чувствительность изготавливаемых датчиков сильно зависит от геометрии и за счет изменения геометрии электродов можно добиться увеличения чувствительности до 5 раз при одном и том же чувствительном слое. Ожидается, что простота процесса изготовления и более высокая чувствительность, обусловленная конструкцией электродов, позволят применять предлагаемые электроды не только в датчиках качества воздуха, но и во многих других областях, таких как сенсорные или тактильные датчики.

В литературе описаны многочисленные методы изготовления, позволяющие сформировать схемы преобразования для датчиков, обеспечивающие новые функциональные возможности, превосходные реакции и возможности устройств. Однако большинство методов требуют сложных процессов и дорогостоящего оборудования для изготовления таких датчиков. Например, традиционный процесс фотолитографии микроэлектромеханических систем (МЭМ), который представляет собой нисходящий подход к изготовлению чувствительных электродов, требует чистого помещения и процесса химического травления1,2. Весь процесс приводит к химическим потерям, создает проблемы для окружающей среды3,4,5, а индивидуализация конструкции электродов часто обходится дорого, поскольку стоимость продукта во многом зависит от масштаба и размера партии изготовления. Поэтому бесконтактная печать и контактная печать, не требующие наличия чистого помещения, в последнее время приобрели интерес для научно-исследовательской деятельности. Контактная печать широко используется в бумажной промышленности и печатных СМИ. Преимуществом этих стратегий печати является их высокая производительность и точность напечатанных элементов до 50 мкм. Как правило, во всех методах контактной печати используется технология рулонной печати для отпечатка рисунка на подложке6,7,8. Однако контроль регистрации межсоединений из-за жестких допусков и эластичной природы подложки при высокой скорости и давлении является сложным по своей природе. При крупносерийном производстве стоимость печати элементов по рулонной технологии дешевле, чем при бесконтактном способе печати. Однако для небольших производственных партий или индивидуальных отпечатков стоимость единицы изделия намного выше, чем при бесконтактной печати. Среди бесконтактной печати струйная печать широко используется для печатных электронных приложений из-за ее низких капитальных затрат и повсеместной доступности. Более того, по сравнению с технологией печати с рулона на рулон, печать с индивидуальным рисунком может быть легко выполнена с возможностью печати элементов или добавления чернил к ранее напечатанным элементам. Для термической и пьезоэлектрической струйной печати требуется состав чернил, совместимый с процессом печати. Чернила часто разлагаются в процессе термоструйной печати, если они состоят из материала, подверженного термическому разложению, кроме того, чернила высокой вязкости не могут использоваться с пьезоэлектрическими струйными принтерами9,10. Трафаретная печать для простой лабораторной установки для исследований и разработок кажется возможным решением для изготовления трансдукционных электродов по гораздо более низкой цене по сравнению с вышеупомянутыми процессами изготовления. Для трафаретной печати требуется трафарет, и хотя процесс прост, недорогая настройка трансдукционных электродов является большой проблемой, и этот процесс включает в себя нанесение большого количества чернил на сетку. Чтобы обойти вышеупомянутые проблемы, простой процесс лазерной абляции для трафаретной печати проводящих чернил кажется более простым способом изготовления трансдукционных электродов. Процесс лазерной абляции с помощью коммерческого станка для лазерной резки не только обеспечивает простоту установки трансдукционных электродов, но также генерирует меньше отходов чернил по сравнению с традиционной трафаретной печатью чернил. В этой работе печатные емкостные структуры для определения электрохимического поведения аналита формируются методом лазерной абляции. Преимущество емкостных датчиков заключается в том, что они потребляют мало энергии, менее восприимчивы к излучению, обладают хорошей чувствительностью и обеспечивают быстрое реагирование11,12,13,14,15,16. Наиболее известной конструкцией для измерения емкостного отклика являются параллельные пластинчатые (ПП) электроды, электрические клеммы которых изолированы диэлектрическим материалом17,18. В сенсорных приложениях, особенно в тонкопленочных емкостных датчиках, встречно-штыревые электроды (IDE), пожалуй, являются наиболее широко используемыми электродами, главным образом из-за их простой конструкции, аналитического и численного моделирования19,20,21,22.