Électrodes de transduction sérigraphiées à micro-motifs assistées par ablation laser pour les applications de détection

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 6928 (2022) Citer cet article

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Dans ce travail, nous présentons une méthode facile pour la fabrication de plusieurs électrodes de transduction capacitive pour les applications de détection. Pour préparer les électrodes, des largeurs de ligne allant jusqu'à 300 \(\upmu\)m ont été produites sur un substrat en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) à l'aide d'une machine de gravure laser d'atelier commun. Les géométries préparées avec le processus d'ablation au laser ont été caractérisées par microscopie optique pour la cohérence et la précision. Plus tard, les géométries ont été recouvertes d'une couche de détection décorée de cellulose poreuse polymère fonctionnelle pour la détection de l'humidité. Les capteurs résultants ont été testés à différents niveaux d'humidité relative (RH). En général, une bonne réponse de détection a été produite par les capteurs avec des sensibilités allant de 0,13 à 2,37 pF/%RH. Dans des conditions ambiantes, le temps de réponse de 10 s a été constaté pour tous les capteurs fabriqués. De plus, les résultats expérimentaux montrent que la sensibilité des capteurs fabriqués dépend fortement de la géométrie et en modifiant la géométrie de l'électrode, des augmentations de sensibilité jusqu'à 5 fois peuvent être obtenues avec la même couche de détection. La simplicité du processus de fabrication et la sensibilité plus élevée résultant de la conception des électrodes devraient permettre l'application des électrodes proposées non seulement dans les capteurs de qualité de l'air, mais également dans de nombreux autres domaines tels que les capteurs tactiles ou tactiles.

De nombreuses techniques de fabrication ont été rapportées dans la littérature pour former les schémas de transduction pour les capteurs atteignant de nouvelles fonctionnalités, des réponses et des capacités de dispositif supérieures. Cependant, la plupart des techniques nécessitent des processus complexes et des installations coûteuses pour fabriquer de tels capteurs. Par exemple, le processus de photolithographie des systèmes microélectromécaniques (MEM) conventionnels, qui est une approche descendante pour la fabrication d'électrodes de détection, nécessite une salle blanche et un processus de gravure chimique1,2. Le processus global entraîne un gaspillage de produits chimiques, pose des problèmes environnementaux3,4,5 et la personnalisation de la conception des électrodes est souvent coûteuse car le coût du produit dépend fortement de l'échelle et de la taille des lots de fabrication. Par conséquent, l'impression sans contact et l'impression par contact, ne nécessitant pas la mise à disposition d'une salle blanche, ont suscité récemment un intérêt pour les activités de R&D. L'impression par contact est largement utilisée dans l'industrie du papier et les médias imprimés. L'avantage de ces stratégies d'impression est leur débit élevé avec des précisions allant jusqu'à 50 \(\upmu\)m de caractéristiques imprimées. Généralement, toutes les méthodes d'impression par contact utilisent la technologie rouleau à rouleau pour imprimer le motif sur le substrat6,7,8. Cependant, la commande d'alignement d'interconnexion, en raison de tolérances serrées et de la nature élastique du substrat à vitesse et pression élevées, est de nature complexe. Pour la production en grand volume, le coût des éléments imprimés grâce à la technologie rouleau à rouleau est moins cher que la méthode d'impression sans contact. Cependant, pour les petits lots de production ou les impressions personnalisées, le coût par article est beaucoup plus élevé que l'impression sans contact. Parmi l'impression sans contact, l'impression à jet d'encre a été largement utilisée pour les applications électroniques imprimées en raison de son faible coût d'investissement et de sa disponibilité omniprésente. De plus, par rapport à la technologie d'impression rouleau à rouleau, l'impression de motifs personnalisés peut être réalisée facilement avec la possibilité d'imprimer des caractéristiques ou de l'encre de manière additive sur les caractéristiques précédemment imprimées. Les techniques de jet d'encre thermique et piézoélectrique nécessitent une formulation d'encre qui doit être compatible avec le processus d'impression. L'encre se dégrade souvent dans le processus d'impression à jet d'encre thermique si elle est composée d'un matériau sensible à la dégradation thermique. De plus, l'encre à haute viscosité ne peut pas être utilisée avec les imprimantes à jet d'encre piézoélectriques9,10. La sérigraphie pour une configuration de R&D simple en laboratoire semble être une solution possible pour fabriquer des électrodes de transduction à un coût beaucoup moins cher par rapport aux processus de fabrication mentionnés ci-dessus. La sérigraphie nécessite un pochoir et bien que le processus soit simple, la personnalisation à faible coût des électrodes de transduction est un gros problème et le processus implique de répandre une grande quantité d'encre sur le maillage. Pour contourner les problèmes susmentionnés, un simple processus d'ablation au laser pour la sérigraphie d'encre conductrice semble être une voie plus facile pour la fabrication d'électrodes de transduction. Le processus d'ablation au laser de la machine de découpe au laser commerciale permet non seulement une mise en œuvre facile des électrodes de transduction, mais génère également moins de déchets d'encre par rapport à la sérigraphie conventionnelle de l'encre. Dans ce travail, des structures capacitives imprimées pour détecter le comportement électrochimique de l'analyte sont formées par la technique d'ablation au laser. L'avantage des capteurs capacitifs est qu'ils consomment peu d'énergie, sont moins sensibles aux radiations, ont une bonne sensibilité et fournissent une réponse rapide11,12,13,14,15,16. La conception la plus connue pour mesurer la réponse capacitive est une électrode à plaques parallèles (PP) où les bornes électriques sont isolées par un matériau diélectrique17,18. Pour les applications de détection et en particulier dans les capteurs capacitifs à couche mince, les électrodes interdigitées (IDE) sont peut-être les électrodes les plus largement utilisées, principalement en raison de leur conception simple, de leur modélisation analytique et numérique19,20,21,22.

Les composants de base d'un capteur électrochimique sont la couche de détection, les électrodes de transduction et le substrat. La couche de détection attire l'analyte en subissant une chimi-adsorption, qui génère le signal électrique détecté par le circuit de lecture. Le taux d'adsorption dicte la réponse du capteur où le cycle de désorption est attribué à la récupération de la couche de détection. La couche de détection peut être une couche unique, une bicouche ou une couche composite. Une disposition de capteur typique est présentée à la Fig. 1. Les électrodes de transduction peuvent avoir différentes formes ou géométries telles que des indigités ou des méandres qui fournissent le signal amélioré pour les schémas de détection capacitifs et résistifs23.

(a) Mécanisme de détection typique d'un capteur électrochimique. (b) Formes géométriques des électrodes de transduction.

La détection capacitive a été couramment utilisée pour les capteurs d'humidité avec des condensateurs de référence afin d'atténuer la dérive due aux interférences thermiques. Cependant, ces dispositifs sont complexes en raison de l'inclusion de composants supplémentaires24,25. D'autres méthodes telles que le chauffage du substrat sont également utilisées pour raccourcir ou augmenter la récupération de ces capteurs26. Néanmoins, avec une sélection appropriée des couches de détection, de la géométrie des électrodes et du substrat approprié, un capteur environnemental sensible et hautement réactif peut être fabriqué, qui fonctionne à température ambiante avec une dérive de capteur faible ou minimale et sans avoir besoin de composants supplémentaires27,28.

La fabrication des schémas de transduction sur le substrat nécessite une procédure complexe et est souvent soumise aux ressources disponibles. Dans le contexte de la situation actuelle de pandémie de COVID-19, la plupart des installations de fabrication sont soit inaccessibles, soit fermées29. Dans ce scénario, les techniques de fabrication de capteurs basées sur les MEM30,31,32, l'impression à jet d'encre33,34,35 et les méthodes d'impression par contact36,37,38 peuvent être coûteuses ou inaccessibles. Cependant, une simple technique d'ablation au laser en utilisant le découpeur laser de bureau \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\) peut être utilisée pour fabriquer les schémas de transduction pour réaliser le capteur environnemental en sérigraphiant l'encre conductrice à l'intérieur des pistes ablatées.

Une méthodologie systématique suivie de la poursuite des étapes mises en évidence sur la figure 2 a abouti à la fabrication de caractéristiques à micro-motifs ablatés au laser ayant une résolution de largeur moyenne d'environ 290 \(\upmu\)m. Le tableau 1 montre la variation des données expérimentales des caractéristiques à motifs.

Étapes pour la fabrication de capteurs à micro-motifs ablatés au laser.

Le microcanal est formé par le processus d'ablation laser en raison de l'absorption d'énergie induite par le faisceau laser. Lorsque le faisceau laser interagit avec la pièce, il ablate la surface supérieure de la pièce. Le taux d'ablation dépend de la puissance, de la vitesse du laser, de la longueur d'onde du rayonnement et des propriétés physiques et optiques du matériau. La résolution du microcanal peut être optimisée en sélectionnant soigneusement les paramètres mentionnés ci-dessus. Cependant, nous avons utilisé les paramètres de processus d'ablation par défaut pour faciliter le micropatterning et la simplicité de fabrication du micropattern, qui peut être utilisé pour la détection de l'humidité. Dans nos expériences, nous avons utilisé 100% de puissance laser et 100% de vitesse pour la gravure laser sur une feuille de polyméthacrylate de méthyle de 3 mm d'épaisseur. La figure 3 montre que pour les régions courbes, la résolution du microcanal à motifs a été dégradée. La raison de la dégradation de la résolution est due à la vitesse plus lente du laser par rapport à la fonction droite. L'étage X-Y de la tête de balayage laser utilise une interpolation et des décalages successifs en ligne droite pour interpoler le point laser suivant pour une géométrie courbe sur la pièce. En raison de cette interpolation de points pour une région courbe, la vitesse est lente et une plus grande surface est ablatée en raison de l'exposition prolongée au laser à une position particulière. Les images optiques des caractéristiques courbes et droites illustrant les différences dans les largeurs de ligne sont présentées à la Fig. 3.

Images optiques des caractéristiques de transduction par ablation laser. (a) Profil droit, (b) espacement des électrodes à profil droit, (c) profil incurvé et (d) espacement des électrodes à profil incurvé.

Les opérations qui ont été menées pour réduire la taille des particules en suspension et pour augmenter les sites d'activation peuvent être vues à partir des images de microscopie électronique à balayage de la Fig. 4. L'image de la Fig. 4b montre la distribution globale de la cellulose après broyage humide, centrifugation et ultrasons.

Images SEM de la couche de détection décorée de cellulose. (a) Cellulose décorée avant ultrasons. (b) Cellulose décorée après ultrasons.

La couche de détection est basée sur une encre biodégradable, qui est principalement composée de cellulose, de poly éthylène dioxythiophène : sulfonate de polystyrène (PEDOT : PSS)39,40 et de nanoparticules d'argent recouvertes de polyvinylpyrrolidone (PVP)41,42. Les nanoparticules d'argent (SNP) sont connues pour leurs propriétés antimicrobiennes, car dans les applications médicales, les cathéters en argent et les cathéters revêtus d'argent sont utilisés pour l'injection lente de solvant tout en offrant des propriétés antiseptiques. De plus, comme les nanoparticules sont recouvertes de PVP, il y a moins de risques de toxicité et de possibilité d'oxydation43,44,45. D'autre part, la cellulose est un bon isolant naturel couramment utilisé comme matériau diélectrique. Il a été incorporé dans de nombreuses applications en tant que substrat pour des applications conductrices et non conductrices46,47.

Les propriétés de détection dépendent du changement des propriétés électriques de la couche de détection, qui forme une région de détection uniforme sur les électrodes de transduction. Une fois que la couche de détection est exposée à l'humidité, la structure poreuse de la couche SNP revêtue de PEDOT:PSS et PVP décorée de cellulose modifie sa capacité pendant les cycles d'adsorption et de désorption. Le changement de capacité est ensuite enregistré pour différents niveaux d'humidité. Tous les capteurs ont été testés avec un niveau d'humidité relative de départ de 50 %, car c'était la condition ambiante prédominante pour effectuer les mesures d'humidité. Les mesures ont été prises à l'aide du compteur LCR de précision GW INSTEK LCR-6000 en balayant les fréquences sélectionnables entre 100 Hz et 2 kHz, comme indiqué dans le tableau 2. La formulation de la couche de détection avec l'ajout de SNP revêtus de PVP a fourni une stabilité stérique. La stabilité stérique est évidente dans l'image SEM car les fibres de cellulose sont bien réparties sur la région. Non seulement les lectures sont stables, mais aussi la fluctuation de la valeur de capacité des capteurs préparés reste dans l'écart type de 0,52 pF. Dans nos expériences, lorsque seul le mélange conducteur de PEDOT: PSS et de cellulose était enduit par centrifugation sur les électrodes de transduction, la lecture capacitive des capteurs fabriqués n'était pas stable en raison de la couche revêtue de PEDOT: PSS hautement conductrice. La procédure de mélange et l'ajout de SNP revêtu de PVP ont non seulement réduit la conductivité de la couche de détection, mais ont également fourni une propriété anti-agglomération à l'encre préparée pour la détection. Nous avons noté qu'en moyenne, pour toutes les géométries de transduction, la fluctuation de la capacité était abrupte sans l'inclusion de stabilisateur stérique SNP revêtu de PVP.

Les résultats de la réponse à l'humidité avec les géométries de transduction sont mis en évidence à la Fig. 5. La réponse la plus élevée a été enregistrée avec une configuration d'électrode en méandre ayant une sensibilité de 2, 37 pF /% HR, tandis que la réponse la plus faible provenait de la configuration en spirale des ennemis jurés de 0, 13 pF /% HR. À un niveau d'humidité relative supérieur à 80 %, il y a eu une forte augmentation de la réponse capacitive pour la configuration d'électrode en méandre par rapport à l'autre configuration géométrique. Le motif serpentin, interdigital et personnalisé a non seulement montré une bonne sensibilité, mais une augmentation progressive de la réponse capacitive par rapport à l'humidité relative. Par conséquent, ces configurations peuvent être sélectionnées pour des plages pratiques de réponse à l'humidité. La raison de la variation de la réponse de transduction est due à la différence de densité des électrodes de détection et des points d'inflexion dans les géométries. Ces changements se traduisent par la différence de champ électrique généré par les géométries respectives présentant ainsi des changements dans la capacité de chaque géométrie.

Réponse à l'humidité des capteurs à motifs pour (a) la spirale Archemedies, (b) le méandre, (c) la serpentine, (d) l'interdigité, (e) la spirale rectangulaire et (f) la conception personnalisée.

La sensibilité du capteur est définie comme le rapport de la différence de la capacité à un niveau d'humidité relative spécifique désigné par \(\hbox {C}_{\mathrm{RH}}\) et la capacité de base (\(\hbox {C}_{\mathrm{RHo}}\)) du capteur divisé par la capacité de base du capteur. L'équation 1 dénote mathématiquement la sensibilité du capteur.

Le tableau 3 montre les sensibilités des différents schémas de transduction. Il ressort des valeurs de sensibilité que le gradient de détection dépend fortement de la géométrie de transduction. Pour certaines applications de détection, une même couche de détection peut offrir un meilleur résultat avec une géométrie spécifique.

Le tableau 4 et la figure 7 montrent les cycles de réponse et de récupération de tous les capteurs à motifs. Pour chaque cycle, le temps de réponse et le temps de récupération du capteur sont calculés. Le temps de réponse est surligné en vert et le temps de récupération est en rouge. À l'exception de la géométrie des méandres, tous les autres capteurs fabriqués ont un temps de réponse inférieur à 1 s, illustrant une application de détection rapide de l'humidité. Cependant, les temps de récupération globaux étaient inférieurs à 6 secondes pour toutes les géométries. Une inspection plus approfondie des sensibilités de bac de toutes les électrodes de transduction, comme le montre la figure 6, indique que la géométrie des électrodes de transduction en méandre a une sensibilité exceptionnellement élevée dans le bac d'humidité de 90 à 100 % par rapport aux autres électrodes de transduction. En raison de cet effet, la sensibilité globale de la géométrie des méandres est plus élevée par rapport aux autres géométries. Compte tenu de ce facteur et de l'augmentation progressive de la réponse de transduction des géométries interdigitales, serpentines, rectangulaires et personnalisées, il est évident qu'elles sont bien adaptées à la détection d'humidité dans notre cas.

Bin sensibilités des six électrodes de transduction.

Cycle de réponse et de récupération des capteurs à motifs pour (a) Méandre, (b) Spirale d'Archimède, (c) Serpentine, (d) Interdigité, (e) Spirale rectangulaire et (f) Conception personnalisée.

La figure 8 présente le cycle d'adsorption et de désorption des capteurs à motifs. Nous avons constaté qu'il existe une hystérésis entre le cycle d'adsorption et de désorption des électrodes à motifs dans toute la géométrie. Cependant, pour certaines géométries, l'hystérésis est faible par rapport à d'autres géométries. La raison de l'hystérésis est due à deux facteurs. La première est due à la nature poreuse des couches de cellulose sur la couche de détection, qui piège les molécules d'eau lors du cycle de désorption. Il est évident que la réponse capacitive pour la désorption est supérieure au cycle d'adsorption décrivant les fortes chances de piéger les molécules d'eau.

L'autre raison est la diminution progressive du niveau d'humidité dans le cycle de désorption par rapport au cycle d'adsorption, qui a une forte variation du niveau d'humidité. Étant donné que la réponse du capteur DHT22 a une augmentation plus élevée en raison de l'augmentation soudaine de l'humidité dans la chambre, il y a donc plus d'hystérésis dans l'étape de réponse du capteur par rapport à l'étape de récupération, où l'hystérésis est faible puisque l'humidité de la chambre pendant cette étape a un taux plus lent. Il est prévu qu'une chambre de mesure précise puisse réduire l'hystérésis entre l'étape de réponse et de récupération des capteurs sérigraphiés. On peut noter que dans la plupart des cas, l'humidité de départ de la chambre était un peu plus élevée à la fin de la lecture et la réponse sérigraphiée était également un peu plus élevée à la fin, montrant qu'il existe une forte corrélation de détection d'humidité des capteurs même avec la légère déviation des niveaux d'humidité.

Cycle d'adsorption et de désorption des capteurs à motifs pour (a) Méandre, (b) Spirale d'Archimède, (c) Serpentine, (d) Interdigité, (e) Spirale rectangulaire et (f) Conception personnalisée.

Dans la discussion précédente, les résultats de la sensibilité, de l'hystérésis, de la réponse et de la récupération de divers schémas de transduction ont été présentés pour la détection de l'humidité. Il est pertinent de noter ici que la sensibilité de l'électrode méandre était plus élevée parmi tous les capteurs fabriqués cependant, le cycle de réponse et de récupération était le plus faible parmi toutes les géométries. De plus, il y avait une augmentation appréciable de la valeur de capacité au-dessus de 80 % d'humidité relative, ce qui indique une relation hautement non linéaire entre l'humidité et la réponse capacitive respective. À cet égard, la configuration d'électrode la plus prometteuse semble être soit un serpentin soit un motif personnalisé, car ce sont les seules géométries qui offrent une bonne sensibilité et moins de non-linéarité parmi toutes les géométries fabriquées.

Le traçage au laser est une méthode pour induire une puissance laser élevée afin de produire des caractéristiques ou des coupes sur la surface du substrat. Dans un atelier mécanique, la machine laser est utilisée pour découper divers matériaux de différentes épaisseurs afin de réaliser de la découpe et de la gravure 2D. L'objectif principal est de transformer la conception numérique pour suivre un chemin laser, qui peut être utilisé à des fins de découpe ou de gravure. La profondeur de la coupe dépend des paramètres de puissance du laser, de la vitesse du laser et de la focalisation ou non de la taille du spot du laser sur le substrat. D'autre part, la largeur de la coupe dépend de la lentille de focalisation, de la vitesse du point laser, de la puissance du laser et de la distance du laser avec l'objet. Si le laser est ajusté de manière à se concentrer correctement sur le substrat, la qualité de la découpe laser est précise et légèrement supérieure à la taille du point focalisé du laser. La puissance du laser est convertie en énergie thermique lorsqu'il est focalisé sur le substrat et élimine le matériau par ablation locale ou brûle le matériau pour induire les empreintes numériques sur le substrat. Dans le processus de découpe au laser, la largeur de coupe est souvent appelée largeur de saignée du processus de découpe au laser. Afin de profiter des avantages du processus mentionné ci-dessus, nous avons suivi un processus facile de gravure du motif conçu sur les feuilles de Poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) d'une épaisseur de 3 mm. Le processus d'impression implique les conceptions assistées par ordinateur (CAO) de la géométrie des électrodes et leur transformation numérique par \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\) faisceau de découpe laser sur les feuilles de PMMA. La figure 9 met en évidence le processus global de fabrication.

Processus de fabrication des électrodes de transduction et géométries de transduction.

L'ablation au laser a été effectuée en tenant compte de la température de transition vitreuse du substrat polymère, de la vitesse du laser, de la puissance du laser et de la hauteur z du faisceau laser sans l'optimisation de la largeur du trait de scie. Cette technique permet une production rapide de schéma de transduction géométrique personnalisé sur le substrat. En raison de la nature du processus, il ne nécessite aucun processus de microfabrication spécial et peut être effectué dans un environnement d'atelier pour produire les électrodes de transduction. De plus, comme le polymère devient flexible près de sa température de transition vitreuse, il est possible de faire adhérer le substrat à des surfaces courbes. De plus, les conceptions géométriques peuvent être facilement exportées vers le découpeur laser, où le laser peut être activé et désactivé instantanément et les fonctions de gravure/découpe peuvent être définies pour différentes couches. Cependant, la limitation de la technique ci-dessus est la résolution du faisceau laser et la précision des étapes du découpeur laser à faisceau \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\). Dans nos expériences, nous avons utilisé six caractéristiques géométriques différentes, toutes avec un espacement des lignes de 400 \(\upmu\)m à partir du centre du doigt. Une fois les caractéristiques géométriques gravées sur les feuilles de PMMA, les bords des feuilles ont été découpés et un gabarit pour la sérigraphie d'encre conductrice est prêt pour la prochaine étape du processus de revêtement d'encre conductrice. Dans nos expériences, nous avons utilisé l'encre de sérigraphie Novacentrix Metalon HPS-021LV (NOVACENTRIX, USA). HPS-021LV est une encre en paillettes d'argent électriquement conductrice conçue pour produire des traces conductrices sur des substrats tels que le papier, le PET, le verre, le polyimide et le silicium. Les principales propriétés de l'encre HPS-021LV sont répertoriées dans le tableau 5.

Une fois qu'une quantité suffisante de HPS-021LV a été appliquée sur le substrat PMMA, l'encre se dépose à l'intérieur des caractéristiques géométriques gravées. Plus tard, ces caractéristiques géométriques ont été soumises à un chauffage dans un four à convection pour évaporer le solvant à 100 \(^{\circ }\)C, ce qui est inférieur à la température de transition vitreuse de la feuille de PMMA de 105 \(^{\circ }\)C. Le durcissement thermique de l'encre a été effectué pendant 1 h chacun pour toutes les caractéristiques géométriques. Après le processus de durcissement, la feuille a été refroidie à la température ambiante et l'excès d'encre a été éliminé en traçant uniformément la surface des feuilles de PMMA à l'aide d'un couteau à tracer. Comme les caractéristiques gravées étaient en dessous du niveau des feuilles de PMMA, par conséquent, après le processus de traçage, seule l'encre nécessaire pour former l'électrode de transduction a été laissée, ce qui a donné les schémas de détection fonctionnels. Après le processus de traçage, la conductivité des pistes a été vérifiée par une mesure de continuité via un multimètre. Puisque, pour chaque type de conception géométrique, les longueurs de piste étaient différentes du plot de connexion, la conductivité des pistes variait pour chaque caractéristique géométrique.

Le processus de préparation de l'encre implique la synthèse de particules ultrafines à partir d'un précurseur amorphe. A cet effet, une méthodologie globale a été élaborée. La méthodologie implique les étapes suivantes, comme illustré à la Fig. 10.

Le processus commence par le broyage humide de 1 g de cellulose Sigmacell (code produit : S3504) de type 20 avec un diamètre moyen de 20 \(\upmu\)m avec 5 ml d'eau déminéralisée. Le procédé par voie humide améliore la taille globale des particules en réduisant les grumeaux et les agglomérations survenus lors du stockage de la cellulose. Les forces de cisaillement réduisent la taille des particules, augmentant ainsi le nombre de particules par unité de poids. La réduction des particules augmente les sites d'activation. Au cours du processus de broyage de 2 h, la réduction de la taille des particules dans le mortier se fait sentir avec une diminution du frottement du broyage. Le broyage humide a été assisté par l'ajout progressif d'eau pour maintenir la quantité de solvant pendant le processus.

Processus de préparation de l'encre.

Plus tard, le mélange a été transféré dans le bêcher et a été pesé pour enregistrer la concentration de solvant dans le mélange. Une fois la mesure du poids prise, 50 ml d'eau désionisée ont été ajoutés afin de faciliter le processus d'agitation à travers un agitateur magnétique. L'agitation magnétique du mélange a fourni une homogénéisation uniforme des particules solides amorphes dans le solvant. Ainsi, l'amélioration de l'uniformité des particules en suspension dans la solution. Après le processus d'agitation, le mélange a été chauffé à 100 \(^{\circ }\)C pour atteindre la quantité de solvant de 5 ml après le processus d'évaporation. 1 ml de poly(3,4-éthylènedioxythiophène)–poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS) à haute conductivité acheté auprès de Sigma Aldrich (code produit : 900181) ayant une concentration de 0,5 à 1 % en poids de PEDOT:PSS dans l'eau avec 0,1 ml de nanoparticule d'argent revêtue de polyvinylpyrrolidone (PVP) de concentration 5 mg/ml dans l'eau (AgNP revêtu de PVP) achetée auprès de Nano Du Composix a été ajouté pour ajuster la conductivité et assurer la stabilité stérique du mélange évitant ainsi l'agglomération des particules en suspension. Le mélange a ensuite été soniqué deux fois pendant un intervalle de 5 min chacun pour obtenir le mélange homogénéisé de polymère conducteur décoré de cellulose. Après sonication, le liquide a ensuite été soumis à une centrifugation à 800 tr/min pendant 30 min pour éliminer les particules les plus lourdes du mélange en éliminant le surnageant de la solution. Le processus mentionné a fourni une concentration uniforme de particules de cellulose par rapport au processus de filtration. Dans le processus de filtration, seules les particules au-dessus d'une certaine taille sont éliminées du liquide. La forme des particules reste la même, tandis que le procédé mentionné ci-dessus façonne les particules en flocons ou en nanotiges. Cette caractéristique bidimensionnelle est plus réactive lorsqu'elle est utilisée pour des applications de détection de gaz48. Une fois le mélange préparé, la solution a été versée sur l'électrode de transduction et chaque plaque acrylique de transduction a ensuite été revêtue par centrifugation à 1000 tr/min pendant 120 s pour chaque type de géométrie de transduction.

Les électrodes de transduction sont couramment utilisées dans les applications de détection. Les électrodes permettent de mesurer différents types de gaz tels que le protoxyde d'azote, l'ammoniac gazeux, l'humidité et bien d'autres49. Pour tester les performances de différents modèles d'électrodes, nous avons choisi de travailler avec la grandeur physique la plus fréquemment mesurée, à savoir l'humidité. Cela nous a fourni une base pour évaluer les paramètres de performance de divers modèles d'électrodes, construits à l'aide d'installations internes. Étant donné que le niveau d'humidité dans un environnement intérieur est assez faible et stable, nous avons effectué les expériences dans un environnement où l'humidité pouvait être contrôlée pour surveiller le comportement des électrodes. Par conséquent, un environnement a été construit dans un conteneur en plastique qui était relié à un humidificateur externe où le niveau d'humidité était varié et surveillé en permanence. La disposition de base de la configuration expérimentale est illustrée à la Fig. 11.

Disposition du montage expérimental.

Le conteneur a été construit de telle sorte que les capteurs DHT22 et différents modèles d'électrodes puissent être placés à l'intérieur. Pour obtenir une homogénéité d'humidité à l'intérieur du conteneur, deux plaques acryliques ont été placées horizontalement à l'intérieur du conteneur avec des trous réalisés à l'aide d'un découpeur laser. Les trous de 5 mm de diamètre étaient répartis uniformément sur les deux plaques avec un espacement de 15 mm entre eux et un décalage de 7 mm dans les trous entre la plaque supérieure et la plaque inférieure. La plaque inférieure aidait à disperser l'humidité uniformément tandis que la plaque supérieure aidait à évacuer l'excès d'humidité hors de la chambre. Quatre capteurs d'humidité DHT22 ont été placés sur les quatre côtés du conteneur de telle sorte que les capteurs et les capteurs d'électrode ont été placés verticalement autour des parois internes du conteneur situé entre les plaques supérieure et inférieure. Cela nous a permis de tester simultanément les performances de tous les différents modèles de capteurs d'électrodes de transduction avec différents niveaux d'humidité. Les deux plaques avec des trous s'adaptent à l'intérieur du récipient avec un trou beaucoup plus grand découpé au centre du récipient pour un tuyau en plastique qui descend vers l'humidificateur.

L'humidité peut facilement être générée à l'aide d'un appareil appelé humidificateur, qui est peu coûteux et permet à l'utilisateur de contrôler l'humidité. L'humidificateur utilisé dans l'expérience est un générateur de brume fraîche ultrasonique sans gouttelettes et dispose d'un réservoir d'eau de 1,5 l (humidificateur Kogan Mini 1,5 L). L'humidificateur a été placé au fond du récipient avec un trou circulaire découpé au fond pour un ajustement serré d'un tuyau de 30 mm de large se connectant à la sortie de l'humidificateur. Une structure de support a été construite pour placer le récipient au-dessus de l'humidificateur. L'humidificateur exsude la brume du haut vers le bas du récipient à travers un tuyau. Chaque motif de transduction comporte deux tampons carrés remplis d'encre d'argent qui s'étend jusqu'aux électrodes de détection elles-mêmes. À l'aide de ruban adhésif en cuivre, de petits morceaux ont été fixés aux deux pastilles, de sorte que les fils minces multibrins puissent être soudés sur le ruban pour la connectivité. Dès que l'humidificateur commence à introduire de l'humidité dans le récipient, les capteurs DHT22 commencent à lire les niveaux d'humidité et simultanément les électrodes de transduction commencent à détecter les niveaux d'humidité. Les niveaux d'humidité des capteurs DHT22 ont été lus à l'aide d'Arduino Nano qui a été séparé des lectures capacitives prises avec la carte Nucleo-F446RE. Les composants de la configuration expérimentale sont étiquetés à la Fig. 11.

La vue de dessus de la configuration expérimentale indique la position des électrodes de transduction de six modèles différents (méandre, interdigité, serpentine, spirale circulaire, spirale rectangulaire et une conception personnalisée) et quatre capteurs d'humidité DHT22, tous montés sur les parois intérieures du conteneur.

Dans ce travail, nous avons présenté une comparaison entre six configurations d'électrodes différentes fabriquées à l'aide d'un processus d'ablation au laser. Il a été observé qu'en fonction de l'application spécifique et de ses exigences, un schéma de transduction approprié pour les capteurs d'humidité environnementale peut être déterminé. Pour les applications de détection de grande surface, les conceptions présentées sont évolutives et adaptées aux applications de détection. Le modèle triangulaire personnalisé présenté dans ce travail peut être un schéma prometteur lorsque l'évolutivité pour une grande surface n'est pas un problème. Les capteurs fabriqués ont été testés à divers niveaux d'humidité relative qui ont obtenu une bonne réponse de détection avec des sensibilités allant de 0,13 à 2,37 pF/% HR en général pour divers schémas de transduction. Le schéma de transduction géométrique en méandre a rapporté la sensibilité la plus élevée parmi les capteurs fabriqués, mais cette géométrie présentait certains inconvénients, tels qu'une réponse et un temps de récupération inférieurs, ainsi qu'une non-linéarité associée de la réponse capacitive par rapport à l'humidité. Le travail présenté ici fournit une approche facile, une couche de détection biocompatible et un recueil de processus de fabrication de capteurs dans un petit laboratoire à faible coût, ce qui peut être très avantageux pendant la pandémie actuelle de COVID-19. En outre, les résultats obtenus à partir du schéma de fabrication présenté peuvent être étendus pour une géométrie d'électrode de structuration à haute résolution avec une couche de détection appropriée.

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Ce travail a été soutenu par le Massey University Research Fund (MURF 2019 Grant No. RM21558).

Département de génie mécanique et électrique, SF&AT, Massey University, Auckland, 0632, Nouvelle-Zélande

Muhammad Asif Ali Rehmani, Kartikay Lal, Ayesha Shawkat et Khalid Mahmood Arif

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MAAR, KL, AS et KMA ont conçu la recherche ; MAAR et KL ont réalisé les expériences et analysé les données ; KMA a obtenu des fonds, fourni des ressources et supervisé la recherche; MAAR, AS et KL ont rédigé le premier projet. Tous les auteurs ont lu le manuscrit et ont contribué à sa forme finale.

Correspondance avec Khalid Mahmood Arif.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Rehmani, MAA, Lal, K., Shaukat, A. et al. Électrodes de transduction sérigraphiées à micro-motifs assistées par ablation laser pour les applications de détection. Sci Rep 12, 6928 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-10878-6

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Reçu : 21 novembre 2021

Accepté : 14 avril 2022

Publié: 28 avril 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-10878-6

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