Électrodes de transduction sérigraphiées à micro-motifs assistées par ablation laser pour 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 simple pour la fabrication de plusieurs électrodes de transduction capacitives pour les applications de détection. Pour préparer les électrodes, des largeurs de lignes 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 courante. Les géométries préparées avec le processus d'ablation laser ont été caractérisées par microscopie optique pour garantir leur cohérence et leur 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 (HR). En général, une bonne réponse de détection a été produite par les capteurs avec des sensibilités allant de 0,13 à 2,37 pF/%HR. Dans des conditions ambiantes, un 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 qu'en modifiant la géométrie de l'électrode, la sensibilité peut être multipliée par 5 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 des schémas de transduction permettant aux capteurs d'atteindre de nouvelles fonctionnalités, des réponses et des capacités 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 conventionnel des systèmes microélectromécaniques (MEM), qui est une approche descendante pour fabriquer des 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 du lot de fabrication. Par conséquent, l’impression sans contact et l’impression par contact, ne nécessitant pas de salle blanche, ont récemment suscité un intérêt pour les activités de R&D. L’impression par contact est largement utilisée dans l’industrie du papier et dans les médias imprimés. L'avantage de ces stratégies d'impression est leur débit élevé avec des précisions allant jusqu'à 50 \(\upmu\)m d'éléments imprimés. Généralement, toutes les méthodes d'impression par contact utilisent la technologie roll-to-roll pour imprimer le motif sur le substrat6,7,8. Cependant, le contrôle de l'enregistrement des interconnexions, en raison des 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 via la technologie roll-to-roll 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 bien 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 à motifs personnalisée peut être réalisée facilement grâce à la possibilité d'imprimer des caractéristiques ou d'encrer 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 lors du processus d'impression à jet d'encre thermique si elle est composée d'un matériau susceptible de se dégrader thermiquement. 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 simple de R&D en laboratoire semble être une solution possible pour fabriquer des électrodes de transduction à un coût beaucoup moins élevé que les 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 constitue un gros problème et le processus implique de répandre une grande quantité d'encre sur le maillage. Pour contourner les problèmes mentionnés ci-dessus, un simple processus d'ablation laser pour la sérigraphie d'encre conductrice semble être une voie plus simple pour la fabrication d'électrodes de transduction. Le processus d'ablation laser de la machine de découpe laser commerciale permet non seulement une mise en œuvre facile des électrodes de transduction, mais génère également moins de gaspillage d'encre par rapport à la sérigraphie conventionnelle de l'encre. Dans ce travail, des structures capacitives imprimées permettant de détecter le comportement électrochimique de l'analyte sont formées par la technique d'ablation laser. L’avantage des capteurs capacitifs est qu’ils consomment peu d’énergie, sont moins sensibles aux rayonnements, 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 celle des électrodes à plaques parallèles (PP) dont les bornes électriques sont isolées par un matériau diélectrique17,18. Pour les applications de détection, et en particulier dans les capteurs capacitifs à couches minces, les électrodes interdigitées (IDE) sont peut-être les électrodes les plus largement utilisées, principalement en raison de leur conception simple et de leur modélisation analytique et numérique19,20,21,22.