Eletrodos de transdução impressos em tela de micropadrão assistidos por ablação a laser para aplicações de detecção

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6928 (2022) Citar este artigo

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Neste trabalho apresentamos um método fácil para a fabricação de vários eletrodos de transdução capacitiva para aplicações de sensoriamento. Para preparar os eletrodos, larguras de linha de até 300 \(\upmu\)m foram produzidas em substrato de polimetil metacrilato (PMMA) usando uma máquina de gravação a laser comum de oficina. As geometrias preparadas com o processo de ablação a laser foram caracterizadas por microscopia óptica quanto à consistência e precisão. Posteriormente, as geometrias foram revestidas com camada de detecção de celulose porosa de polímero funcional decorada para detecção de umidade. Os sensores resultantes foram testados em vários níveis de umidade relativa (RH). Em geral, uma boa resposta de detecção foi produzida pelos sensores com sensibilidades variando de 0,13 a 2,37 pF/%RH. Em condições ambientes o tempo de resposta de 10 s foi notado para todos os sensores fabricados. Além disso, resultados experimentais mostram que a sensibilidade dos sensores fabricados depende muito da geometria e, alterando a geometria do eletrodo, a sensibilidade aumenta em até 5 vezes com a mesma camada de detecção. Espera-se que a simplicidade do processo de fabricação e a maior sensibilidade resultante dos projetos de eletrodos permitam a aplicação dos eletrodos propostos não apenas em sensores de qualidade do ar, mas também em muitas outras áreas, como sensores de toque ou táteis.

Numerosas técnicas de fabricação foram relatadas na literatura para formar os esquemas de transdução para sensores atingindo novas funcionalidades, respostas e capacidades superiores do dispositivo. No entanto, a maioria das técnicas requer processos intrincados e instalações caras para fabricar tais sensores. Por exemplo, o processo convencional de fotolitografia de sistemas microeletromecânicos (MEMs), que é uma abordagem de cima para baixo para a fabricação de eletrodos sensores, requer sala limpa e processo de ataque químico1,2. O processo geral leva ao desperdício químico, apresenta problemas ambientais3,4,5 e a personalização no projeto do eletrodo geralmente é cara, pois o custo do produto depende muito da escala e do tamanho do lote de fabricação. Portanto, a impressão sem contato e a impressão por contato, que não exigem o fornecimento de uma sala limpa, têm despertado interesse recentemente nas atividades de P&D. A impressão por contato é amplamente utilizada na indústria de papel e mídia impressa. A vantagem dessas estratégias de impressão é seu alto rendimento com precisões de até 50 \(\upmu\)m de recursos impressos. Geralmente, todos os métodos de impressão por contato usam a tecnologia rolo a rolo para imprimir o padrão no substrato6,7,8. No entanto, o controle de registro de interconexão, devido às tolerâncias rígidas e à natureza elástica do substrato em alta velocidade e pressão, é intrincado por natureza. Para produção em grande volume, o custo dos recursos impressos por meio da tecnologia rolo a rolo é mais barato do que o método de impressão sem contato. No entanto, para pequenos lotes de produção ou impressões personalizadas, o custo por item é muito maior do que a impressão sem contato. Entre a impressão sem contato, a impressão a jato de tinta tem sido amplamente utilizada para aplicações eletrônicas impressas devido ao seu baixo custo de capital e disponibilidade generalizada. Além disso, em comparação com a tecnologia de impressão rolo a rolo, a impressão padronizada personalizada pode ser feita prontamente com a capacidade de imprimir recursos ou adicionar tinta aos recursos impressos anteriormente. As técnicas de jato de tinta térmico e piezoelétrico requerem formulação de tinta, que precisa ser compatível com o processo de impressão. A tinta geralmente se degrada no processo de impressão a jato de tinta térmica se for composta de material suscetível à degradação térmica; além disso, tintas de alta viscosidade não podem ser usadas com impressoras a jato de tinta piezoelétricas9,10. A serigrafia para uma configuração simples de P&D baseada em laboratório parece ser uma solução possível para a fabricação de eletrodos de transdução a um custo muito mais barato em comparação com os processos de fabricação mencionados acima. A serigrafia requer um estêncil e, embora o processo seja simples, a personalização de baixo custo dos eletrodos de transdução é um grande problema e o processo envolve espalhar uma grande quantidade de tinta na malha. Para contornar os problemas mencionados, um processo simples de ablação a laser para serigrafia de tinta condutiva parece ser um caminho mais fácil para a fabricação de eletrodos de transdução. O processo de ablação a laser da máquina de corte a laser comercial não apenas fornece fácil implementação de eletrodos de transdução, mas também gera menos desperdício de tinta quando comparado à serigrafia convencional de tinta. Neste trabalho, estruturas capacitivas impressas para detectar o comportamento eletroquímico do analito são formadas pela técnica de ablação a laser. A vantagem dos sensores capacitivos é que eles consomem pouca energia, são menos suscetíveis à radiação, têm boa sensibilidade e fornecem resposta rápida11,12,13,14,15,16. O projeto mais conhecido para medir a resposta capacitiva é um eletrodo de placa paralela (PP) onde os terminais elétricos são isolados por um material dielétrico17,18. Para aplicações de detecção e particularmente em sensores capacitivos de filme fino, eletrodos interdigitados (IDEs) são talvez os eletrodos mais amplamente utilizados principalmente devido ao seu design simples, modelagem analítica e numérica19,20,21,22.