Elettrodi di trasduzione serigrafati con micropattern assistiti da ablazione laser per applicazioni di rilevamento

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6928 (2022) Citare questo articolo

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In questo lavoro presentiamo un metodo semplice per la fabbricazione di diversi elettrodi di trasduzione capacitiva per applicazioni di rilevamento. Per preparare gli elettrodi, sono state prodotte larghezze di linea fino a 300 \(\upmu\)m su un substrato di polimetilmetacrilato (PMMA) utilizzando una comune macchina per incisione laser da officina. Le geometrie preparate con il processo di ablazione laser sono state caratterizzate mediante microscopia ottica per verificarne coerenza e accuratezza. Successivamente, le geometrie sono state rivestite con uno strato sensibile decorato con cellulosa porosa polimerica funzionale per il rilevamento dell'umidità. I sensori risultanti sono stati testati a vari livelli di umidità relativa (RH). In generale, i sensori hanno prodotto una buona risposta di rilevamento con sensibilità comprese tra 0,13 e 2,37 pF/%RH. In condizioni ambientali è stato osservato un tempo di risposta di 10 s per tutti i sensori fabbricati. Inoltre, i risultati sperimentali mostrano che la sensibilità dei sensori fabbricati dipende fortemente dalla geometria e modificando la geometria dell'elettrodo è possibile ottenere aumenti di sensibilità fino a 5 volte con lo stesso strato di rilevamento. Si prevede che la semplicità del processo di fabbricazione e la maggiore sensibilità derivante dalla progettazione degli elettrodi consentiranno l'applicazione degli elettrodi proposti non solo nei sensori della qualità dell'aria ma anche in molte altre aree come i sensori tattili.

In letteratura sono state riportate numerose tecniche di fabbricazione per formare schemi di trasduzione per sensori che ottengono nuove funzionalità, risposte e capacità superiori del dispositivo. Tuttavia, la maggior parte delle tecniche richiede processi complessi e strutture costose per fabbricare tali sensori. Ad esempio, il processo di fotolitografia dei sistemi microelettromeccanici convenzionali (MEM), che è un approccio dall'alto verso il basso per la fabbricazione di elettrodi di rilevamento, richiede una camera bianca e un processo di attacco chimico1,2. Il processo complessivo porta a sprechi chimici, pone problemi ambientali3,4,5 e la personalizzazione nella progettazione degli elettrodi è spesso costosa poiché il costo del prodotto dipende fortemente dalla scala e dalle dimensioni del lotto di fabbricazione. Pertanto, la stampa senza contatto e la stampa a contatto, che non richiedono la fornitura di una camera bianca, hanno recentemente acquisito interesse per le attività di ricerca e sviluppo. La stampa a contatto è ampiamente utilizzata nell'industria della carta e nei supporti di stampa. Il vantaggio di queste strategie di stampa è la loro elevata produttività con una precisione fino a 50 \(\upmu\)m di elementi stampati. Generalmente, tutti i metodi di stampa a contatto utilizzano la tecnologia roll-to-roll per imprimere il motivo sul substrato6,7,8. Tuttavia, il controllo della registrazione delle interconnessioni, a causa delle tolleranze strette e della natura elastica del substrato ad alta velocità e pressione, è di natura complessa. Per la produzione di grandi volumi, il costo degli elementi stampati tramite la tecnologia roll-to-roll è più economico rispetto al metodo di stampa senza contatto. Tuttavia, per piccoli lotti di produzione o stampe personalizzate, il costo per articolo è molto più elevato rispetto alla stampa senza contatto. Tra la stampa senza contatto, la stampa a getto d’inchiostro è stata ampiamente utilizzata per applicazioni elettroniche stampate grazie al basso costo di capitale e alla disponibilità pervasiva. Inoltre, rispetto alla tecnologia di stampa roll-to-roll, la stampa con motivi personalizzati può essere eseguita facilmente con la possibilità di stampare elementi o inchiostrare in modo additivo gli elementi precedentemente stampati. Le tecniche a getto d'inchiostro termico e piezoelettrico richiedono la formulazione dell'inchiostro, che deve essere compatibile con il processo di stampa. L'inchiostro spesso si degrada nel processo di stampa termica a getto d'inchiostro se è composto da materiale suscettibile alla degradazione termica, inoltre l'inchiostro ad alta viscosità non può essere utilizzato con le stampanti a getto d'inchiostro piezoelettriche9,10. La serigrafia per una semplice configurazione di ricerca e sviluppo in laboratorio sembra essere una possibile soluzione per fabbricare elettrodi di trasduzione a un costo molto più economico rispetto ai processi di fabbricazione sopra menzionati. La serigrafia richiede uno stencil e sebbene il processo sia semplice, la personalizzazione a basso costo degli elettrodi di trasduzione è un grosso problema e il processo prevede la diffusione di una grande quantità di inchiostro sulla rete. Per aggirare i problemi sopra menzionati, un semplice processo di ablazione laser per la serigrafia di inchiostro conduttivo sembra essere un percorso più semplice per la fabbricazione di elettrodi di trasduzione. Il processo di ablazione laser della macchina da taglio laser commerciale non solo fornisce una facile implementazione degli elettrodi di trasduzione, ma genera anche meno sprechi di inchiostro rispetto alla tradizionale serigrafia dell'inchiostro. In questo lavoro, strutture capacitive stampate per rilevare il comportamento elettrochimico dell'analita sono formate mediante la tecnica di ablazione laser. Il vantaggio dei sensori capacitivi è che consumano poca energia, sono meno sensibili alle radiazioni, hanno una buona sensibilità e forniscono una risposta rapida11,12,13,14,15,16. Il design più noto per misurare la risposta capacitiva è costituito da elettrodi a piastre parallele (PP) in cui i terminali elettrici sono isolati da un materiale dielettrico17,18. Per le applicazioni di rilevamento e in particolare nei sensori capacitivi a film sottile, gli elettrodi interdigitati (IDE) sono forse gli elettrodi più ampiamente utilizzati soprattutto per la loro progettazione semplice e la modellazione analitica e numerica19,20,21,22.