センシング用途向けのレーザーアブレーション支援マイクロパターンスクリーン印刷変換電極

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6928 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、センシング用途のためのいくつかの容量性変換電極を製造するための簡単な方法を紹介します。電極を準備するには、一般的な工房のレーザー彫刻機を使用して、ポリメタクリル酸メチル (PMMA) 基板上に最大 300 \(\upmu\)m の線幅を作成しました。レーザーアブレーションプロセスで作成された形状は、一貫性と精度を確保するために光学顕微鏡によって特徴付けられました。その後、ジオメトリは、湿度検知用の機能性ポリマー多孔質セルロースで装飾された検知層でコーティングされました。得られたセンサーは、さまざまな相対湿度 (RH) レベルでテストされました。一般に、0.13 ～ 2.37 pF/%RH の範囲の感度を備えたセンサーによって、良好な感知応答が得られました。周囲条件では、製造されたすべてのセンサーで 10 秒の応答時間が認められました。さらに、実験結果は、作製したセンサーの感度が形状に大きく依存し、電極形状を変更することで、同じ感知層で最大 5 倍の感度の増加が達成できることを示しています。製造プロセスの簡素化と電極設計による高い感度により、提案された電極は空気質センサーだけでなく、タッチセンサーや触覚センサーなどの他の多くの分野にも応用できると期待されています。

新しい機能、優れたデバイス応答および能力を達成するセンサーの変換スキームを形成するための、数多くの製造技術が文献で報告されている。しかし、ほとんどの技術では、そのようなセンサーを製造するために複雑なプロセスと高価な設備が必要です。たとえば、従来の微小電気機械システム (MEM) フォトリソグラフィプロセスは、検出電極を製造するためのトップダウンアプローチであり、クリーンルームと化学エッチングプロセスを必要とします 1,2。プロセス全体は化学物質の浪費につながり、環境問題を引き起こし3、4、5、製品コストが製造の規模とバッチサイズに大きく依存するため、電極設計のカスタマイズには費用がかかることがよくあります。そこで、近年、研究開発においては、クリーンルームの設置を必要としない非接触印刷やコンタクト印刷が注目されている。コンタクト印刷は、製紙業界や印刷媒体で広く使用されています。これらの印刷戦略の利点は、印刷フィーチャーの最大 50 \(\upmu\)m の精度を備えた高いスループットです。一般に、すべてのコンタクトプリンティング方法では、ロールツーロール技術を使用して基板にパターンをインプリントします6、7、8。しかし、相互接続の位置合わせ制御は、公差が厳しく、高速および圧力下での基板の弾性特性により、本質的に複雑です。大量生産の場合、ロールツーロール技術による印刷フィーチャのコストは、非接触印刷方法よりも安くなります。ただし、少量の生産バッチやカスタマイズされたインプリントの場合、アイテムあたりのコストは非接触印刷よりもはるかに高くなります。非接触印刷の中でも、インクジェット印刷は、資本コストが低く、広く入手可能であるため、電子印刷アプリケーションに広く使用されています。さらに、ロールツーロール印刷技術と比較して、カスタマイズされたパターン印刷は、フィーチャを印刷したり、以前に印刷されたフィーチャ上にインクを追加したりする機能を使用して簡単に実行できます。サーマルおよび圧電インクジェット技術ではインクの配合が必要であり、印刷プロセスに適合する必要があります。インクが熱劣化しやすい材料で構成されている場合、サーマルインクジェット印刷プロセスでインクが劣化することが多く、さらに高粘度インクは圧電インクジェットプリンタでは使用できません9、10。単純な研究室ベースの研究開発セットアップのためのスクリーン印刷は、上記の製造プロセスと比較してはるかに安価なコストで変換電極を製造するための可能な解決策であると思われます。スクリーン印刷にはステンシルが必要で、プロセスは単純ですが、変換電極を低コストでカスタマイズすることが大きな課題であり、メッシュ上に大量のインクを塗り広げるプロセスが必要です。前述の問題を回避するには、導電性インクのスクリーン印刷のための単純なレーザーアブレーションプロセスが、変換電極の製造のより簡単な方法であると思われます。市販のレーザー切断機によるレーザーアブレーションプロセスは、変換電極の実装を容易にするだけでなく、従来のインクのスクリーン印刷と比較してインクの無駄も少なくなります。この研究では、検体の電気化学的挙動を感知するための印刷された容量性構造がレーザーアブレーション技術によって形成されます。静電容量センサーの利点は、消費エネルギーが低く、放射線の影響を受けにくく、感度が高く、応答が速いことです11、12、13、14、15、16。容量性応答を測定するための最もよく知られた設計は、電気端子が誘電体材料によって絶縁されている平行平板 (PP) 電極です 17、18。センシング用途、特に薄膜容量性センサーでは、インターデジタル電極 (IDE) がおそらく最も広く利用されている電極であり、これは主にその単純な設計、分析および数値モデリングによるものです 19、20、21、22。

電気化学センサーの基本コンポーネントは、感知層、変換電極、および基板です。感知層は化学吸着を受けることによって検体を引き付け、読み出し回路によって感知される電気信号を生成します。吸着速度はセンサーの応答を決定し、脱着サイクルは感知層の回復に起因します。感知層は、単層、二層、または複合層にすることができます。典型的なセンサーのレイアウトを図 1 に示します。変換電極は、容量性および抵抗性のセンシング方式に強化された信号を提供する、入り込み型や蛇行型などのさまざまな形状や幾何学形状を持つことができます23。

(a) 電気化学センサーの典型的な感知メカニズム。 (b) 変換電極の幾何学的形状。

静電容量センシングは、熱干渉によるドリフトを軽減するために、基準コンデンサを備えた湿度センサーに一般的に使用されてきました。ただし、これらのデバイスは追加のコンポーネントが含まれるため複雑です24、25。基板の加熱などの他の方法も、このようなセンサーの回復を短縮または強化するために使用されます26。それにもかかわらず、感知層、電極形状、および適切な基板を適切に選択すれば、追加のコンポーネントを必要とせずに、低いまたは最小限のセンサードリフトで室温で動作する、感度が高く応答性の高い環境センサーを製造できます27、28。

基板上に変換スキームを作製するには複雑な手順が必要であり、多くの場合、利用可能なリソースが制約されます。新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミック状況が蔓延していることから、ほとんどの製造施設はアクセスできないか閉鎖されています29。このシナリオでは、MEM 30、31、32、インクジェット印刷 33、34、35、およびコンタクト印刷 36、37、38 方法に基づくセンサー製造技術は、高価であるか、近づきがたいものになる可能性があります。ただし、デスクトップ \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\) レーザーカッターを利用した簡単なレーザーアブレーション技術を使用して、内部の導電性インクをスクリーン印刷することで環境センサーを実現するための変換スキームを製造できます。切除された跡。

図2で強調されているステップを追求した体系的な方法論により、平均幅解像度約290 \(\upmu\)mのレーザーアブレーションによる微細パターン形状の作製が可能になりました。表 1 は、パターン化されたフィーチャの実験データの変動を示しています。

レーザーアブレーションによる微細パターンセンサーの製造手順。

マイクロチャネルは、レーザービームによって誘発されたエネルギーの吸収によるレーザーアブレーションプロセスによって形成されます。レーザービームがワークピースと相互作用すると、ワークピースの上面がアブレーションされます。アブレーションの速度は、レーザーの出力、速度、放射線の波長、および材料の物理的および光学的特性によって異なります。マイクロチャネルの解像度は、上記のパラメーターを慎重に選択することによって最適化できます。ただし、微細パターンの作成を容易にし、湿度の感知に利用できる微細パターンの製造を簡単にするために、デフォルトのアブレーションプロセスパラメータを使用しました。私たちの実験では、厚さ 3 mm のポリメチルメタクリレートシートへのレーザー彫刻に 100% のレーザー出力と 100% の速度を使用しました。図 3 は、湾曲領域ではパターン化されたマイクロチャネルの解像度が低下したことを示しています。解像度が低下する理由は、直線フィーチャーと比較してレーザーの速度が遅いためです。レーザースキャニングヘッドの X-Y ステージは、連続する直線補間とオフセットを使用して、ワークピース上の曲線形状の次のレーザースポットを補間します。湾曲した領域の点を補間するため、速度が遅くなり、特定の位置での長時間のレーザー照射により、より多くの領域が切除されます。線幅の違いを示す湾曲した特徴と直線的な特徴の光学画像を図 3 に示します。

レーザーアブレーションによる変換特徴の光学画像。 (a) 直線プロファイル、(b) 直線プロファイルの電極間隔、(c) 曲線プロファイル、(d) 曲線プロファイルの電極間隔。

懸濁粒子のサイズを小さくし、活性化サイトを増やすために行われた操作は、図4の走査型電子顕微鏡画像から見ることができます。図4bの画像は、湿式粉砕、遠心分離後のセルロースの全体的な分布を示しています。そして超音波処理。

セルロースで装飾された感知層の SEM 画像。 (a) 超音波処理前の装飾セルロース。 (b) 超音波処理後の装飾セルロース。

センシング層は生分解性インクをベースにしており、主にセルロース、ポリエチレンジオキシチオフェン: ポリスチレンスルホン酸 (PEDOT:PSS)39,40、およびポリビニルピロリドン (PVP) でコーティングされた銀ナノ粒子 41,42 で構成されています。銀ナノ粒子 (SNP) は、その抗菌特性で知られており、医療用途では、銀カテーテルおよび銀コーティングされたカテーテルが、消毒特性を提供しながら溶媒をゆっくりと注入するために使用されます。さらに、ナノ粒子は PVP でコーティングされているため、毒性や酸化の可能性が低くなります 43、44、45。一方、セルロースは、誘電体材料として一般的に使用される優れた天然絶縁体です。これは、導電性および非導電性用途の基板として多くの用途に組み込まれています46、47。

感知特性は、変換電極上に均一な感知領域を形成する感知層の電気的特性の変化に依存します。センシング層が湿気にさらされると、セルロースで修飾された PEDOT:PSS および PVP でコーティングされた SNP 層の多孔質構造により、吸着および脱着サイクル中に静電容量が変化します。次に、静電容量の変化がさまざまな湿度レベルで記録されます。すべてのセンサーは、湿度測定を行うための一般的な周囲条件である 50% の開始相対湿度レベルでテストされました。測定は、表 2 に示すように、GW INSTEK LCR-6000 精密 LCR メーターを使用して、100 Hz ～ 2 kHz の間で選択可能な周波数をスイープすることにより行われました。PVP コーティングされた SNP を追加したセンシング層の配合により、立体安定性が実現しました。。セルロース繊維が領域全体に十分に広がっているため、立体安定性は SEM 画像で明らかです。測定値が安定しているだけでなく、作成したセンサーの静電容量値の変動も標準偏差 0.52 pF 以内に収まっています。私たちの実験では、導電性 PEDOT:PSS とセルロースの混合物のみを変換電極上にスピンコーティングした場合、高導電性 PEDOT:PSS コーティング層のため、製造されたセンサーからの容量読み取り値は安定しませんでした。混合手順と PVP でコーティングされた SNP の添加により、センシング層の導電性が低下するだけでなく、センシング用に調製されたインクに抗凝集特性も与えられました。我々は、平均して、PVP でコーティングされた SNP 立体安定剤を含めないと、すべての変換幾何学形状で静電容量の変動が急激であることに注目しました。

変換ジオメトリによる湿度応答の結果を図 5 に示します。最高の応答は感度 2.37 pF/%RH の蛇行電極構成で記録されましたが、最低の応答は宿敵のスパイラル構成の 0.13 pF/% でした。 RH. 80% を超える相対湿度レベルでは、他の幾何学的構成と比較して、蛇行電極構成の容量応答が急激に増加しました。サーペンタイン、インターデジタル、およびカスタムパターンは、良好な感度を示すだけでなく、相対湿度に対する容量性応答が徐々に増加することを示しています。したがって、これらの構成は、実際の湿度応答範囲に合わせて選択できます。変換応答の変動の理由は、感知電極の密度の違いと形状の変曲点によるものです。これらの変化は、それぞれの幾何学的形状によって生成される電界の差をもたらし、したがって各幾何学的形状の静電容量の変化を示します。

(a) Archemedies スパイラル、(b) Meander、(c) Serpentine、(d) Interdigital、(e) Rectangular spiral、および (f) Custom design のパターン化センサーの湿度応答。

センサーの感度は、\(\hbox {C}_{\mathrm{RH}}\) で指定される特定の相対湿度レベルにおける静電容量とベース静電容量 (\(\hbox {C }_{\mathrm{RHo}}\)) をセンサーのベース静電容量で割ったもの。式 1 は、センサーの感度を数学的に示します。

表 3 は、さまざまな変換スキームの感度を示しています。感度値から、検出勾配が変換幾何学的形状に大きく依存することが明らかです。特定のセンシングアプリケーションでは、同じセンシング層が特定の形状でより良い結果を提供することがあります。

表 4 と図 7 は、すべてのパターン化されたセンサーの応答と回復サイクルを示しています。各サイクルのセンサーの応答時間と回復時間が計算されます。応答時間は緑色、回復時間は赤色で強調表示されます。蛇行形状を除いて、他のすべての製造センサーの応答時間は 1 秒未満であり、迅速な湿度検知アプリケーションを示しています。ただし、全体の回復時間はすべての形状で 6 秒未満でした。図 6 に示すように、すべての変換電極のビン感度を詳しく調べると、90 ～ 100% の湿度ビンで他の変換電極と比較して、蛇行型変換電極の形状が非常に高い感度を持っていることがわかります。この効果により、蛇行形状の全体的な感度は他の形状と比較して高くなります。この要因と、すだれ状、蛇行状、長方形およびカスタム形状の変換応答が徐々に増加することを考慮すると、この場合、これらの形状が湿度検知に適していることが明らかです。

6 つすべての変換電極のビン感度。

(a) 蛇行、(b) アルキメデススパイラル、(c) サーペンタイン、(d) インターデジタル、(e) 長方形スパイラル、および (f) カスタム設計のパターン化センサーの応答と回復サイクル。

図 8 は、パターン化されたセンサーの吸着および脱着サイクルを示しています。我々は、すべての形状においてパターン化電極の吸着サイクルと脱着サイクルの間にヒステリシスが存在することを発見しました。ただし、特定の形状では、他の形状に比べてヒステリシスが小さくなります。ヒステリシスの理由は 2 つあります。 1 つ目は、脱着サイクル中に水分子を捕捉する、センシング層上のセルロース層の多孔性によるものです。脱着の容量性応答が、水分子を捕捉する可能性が高いことを示す吸着サイクルよりも大きいことは明らかです。

もう 1 つの理由は、湿度レベルが急激に変化する吸着サイクルと比較して、脱着サイクルでは湿度レベルが徐々に低下することです。 DHT22 センサーの応答は、チャンバー内の湿度の急激な上昇により上昇するため、チャンバーの湿度が急激に上昇するため、センサーの応答段階ではヒステリシスが低い回復段階と比較して、より大きなヒステリシスが生じます。この段階では湿度の上昇速度が遅くなります。正確な測定チャンバーにより、スクリーン印刷されたセンサーの応答段階と回復段階の間のヒステリシスを低減できることが期待されます。ほとんどの場合、チャンバーの開始湿度は読み取りの終了時にわずかに高く、スクリーン印刷された応答も最終的にはわずかに高く、センサーの湿度検知に高い相関関係が存在することを示していることがわかります。たとえ湿度レベルがわずかにずれていても。

(a) ミアンダー、(b) アルキメデススパイラル、(c) サーペンタイン、(d) インターデジタル、(e) 長方形スパイラル、および (f) カスタムデザインのパターン化センサーの吸着および脱着サイクル。

前述の説明では、湿度検知に関するさまざまな変換スキームの感度、ヒステリシス、応答および回復の結果が示されました。ここで、蛇行電極の感度は製造されたすべてのセンサーの中でより高かったが、応答と回復サイクルはすべての形状の中で最も低かったことに注意することが重要です。さらに、相対湿度 80% を超えると静電容量値がかなり増加しました。これは、湿度とそれぞれの容量応答の間に高度に非線形な関係があることを示しています。この点に関して、最も有望な電極構成は、曲がりくねったパターンとカスタムパターンのいずれかであると思われます。これらの形状は、製造されたすべての形状の中で良好な感度とより少ない非線形性を提供する唯一の形状でした。

レーザースクライビングは、高いレーザー出力を誘導して基板の表面にフィーチャやカットを作成する方法です。機械工場では、レーザー加工機を使用して、厚さの異なるさまざまな材料を切断し、2D 切断と彫刻を実行します。主な目的は、切断または彫刻の目的で使用できるレーザーパスに従うようにデジタルデザインを変換することです。切断の深さは、レーザーの出力、レーザーの速度、レーザーのスポットサイズが基板上に焦点を合わせているかどうかの設定によって異なります。一方、カットの幅は、集束レンズ、レーザーのスポット速度、レーザーの出力、およびレーザーと対象物との距離によって異なります。基板上で適切に焦点が合うようにレーザーが調整されている場合、レーザーカットの品質は正確であり、レーザーの焦点スポットサイズをわずかに上回ります。レーザーの出力は、基板に焦点を合わせると熱エネルギーに変換され、材料を局所的にアブレーションまたは燃焼させることによって材料を除去し、基板上にデジタルインプリントを誘導します。レーザー切断プロセスでは、切断幅はレーザー切断プロセスの切り口幅と呼ばれることがよくあります。上記のプロセスの利点を享受するために、厚さ 3 mm のポリ (メタクリル酸メチル) (PMMA) シートにデザインされたパターンを彫刻するという簡単なプロセスに従いました。印刷プロセスには、コンピューター支援 (CAD) による電極形状の設計と、PMMA シート上での \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\) レーザー切断ビームによるデジタル変換が含まれます。図 9 は、製造プロセス全体を示しています。

変換電極の製造プロセスと変換形状。

レーザーアブレーションは、切り溝幅を最適化することなく、ポリマー基板のガラス転移温度、レーザー速度、レーザー出力、レーザービームの Z 高さを考慮して行われました。この技術により、基板上にカスタムの幾何学的変換スキームを迅速に作成できます。プロセスの性質上、特別な微細加工プロセスは必要なく、ワークショップ環境で変換電極を製造することができます。さらに、ポリマーはガラス転移温度に近づくと柔軟になるため、基板を曲面に接着する可能性があります。さらに、幾何学的なデザインはレーザーカッターに簡単にエクスポートでき、レーザーを瞬時にオン/オフしたり、さまざまなレイヤーに対して彫刻/切断機能を設定したりできます。ただし、上記の手法の制限は、レーザービームの解像度と \(\hbox {CO}_{\mathrm{2}}\) ビームレーザーカッターのステージの精度です。私たちの実験では、指の中心からすべて 400 \(\upmu\)m の線間隔を持つ 6 つの異なる幾何学的特徴を使用しました。 PMMA シートに幾何学的特徴が彫刻されると、シートの端が切り取られ、導電性インクのスクリーン印刷用のテンプレートが導電性インクコーティングプロセスの次の段階に向けて準備されます。実験では、Novacentrix Metalon HPS-021LV (NOVACENTRIX、米国) スクリーン印刷インクを使用しました。 HPS-021LV は、紙、PET、ガラス、ポリイミド、シリコンなどの基材上に導電性トレースを作成するように設計された導電性シルバーフレークインクです。 HPS-021LV インクの主な特性を表 5 に示します。

十分な量の HPS-021LV が PMMA 基板上にコーティングされると、インクは彫刻された幾何学的特徴の内部に定着します。その後、これらの幾何学的特徴を対流オーブンで加熱し、PMMA シートのガラス転移温度 105 \(^{\circ }\) よりも低い 100 \(^{\circ }\)C で溶媒を蒸発させました。 )C. インクの熱硬化は、すべての幾何学的特徴についてそれぞれ 1 時間実行されました。硬化プロセスの後、シートを周囲温度まで冷却し、スクライビングナイフを使用して PMMA シートの表面を均一にスクライビングすることによって余分なインクを除去しました。したがって、彫刻されたフィーチャは PMMA シートのレベルより下にあったため、スクライビングプロセスの後、変換電極の形成に必要なインクのみが残され、機能的な検出スキームが得られました。スクライビングプロセスの後、マルチメータによる導通測定によってトラックの導電性がチェックされました。幾何学的設計のタイプごとにトラックの長さが接続パッドから異なるため、トラックの導電率は幾何学的特徴ごとに異なります。

インクの調製プロセスには、非晶質前駆体からの超微粒子の合成が含まれます。この目的のために、包括的な方法論が考案されました。この方法には、図 10 に示す次のステップが含まれます。

このプロセスは、平均直径サイズ 20 \(\upmu\)m のタイプ 20 の Sigmacell セルロース (製品コード: S3504) 1 g を 5 ml の脱イオン水で湿式粉砕することから始まります。湿式プロセスでは、セルロースの保管中に発生する塊や凝集が減少し、全体の粒子サイズが向上します。せん断力により粒子のサイズが小さくなり、単位重量あたりの粒子が増加します。粒子の減少により、活性化サイトが増加します。 2 時間の粉砕プロセス中に、粉砕の摩擦の減少とともに乳鉢内の粒子サイズの減少が感じられます。湿式粉砕は、プロセス中に溶媒の量を維持するために水を徐々に加えることによって促進されました。

インクを準備するプロセス。

その後、混合物をビーカーに移し、重量を測定して混合物中の溶媒の濃度を記録した。重量測定後、マグネティックスターラーによる撹拌プロセスを容易にするために、50 ml の脱イオン水を加えました。混合物を磁気的に撹拌すると、溶媒中の非晶質固体粒子が均一に均質化された。したがって、溶液中の懸濁粒子の均一性が向上します。撹拌プロセスの後、混合物を１００℃に加熱して、蒸発プロセス後の溶媒量が５ｍｌに達した。 Sigma Aldrich から購入した 1 ml の高導電性ポリ (3,4-エチレンジオキシチオフェン) – ポリ (スチレンスルホン酸) (PEDOT:PSS) (製品コード: 900181) (水中で 0.5 ～ 1 wt% の PEDOT:PSS 濃度を含む) NanoComposix から購入した水中濃度 5 mg/ml のポリビニルピロリドン (PVP) でコーティングされた銀ナノ粒子 (PVP でコーティングされた AgNP) 0.1 ml を添加して、導電率を調整し、混合物の立体安定性を提供し、懸濁粒子の凝集を回避しました。次いで、混合物をそれぞれ５分間の間隔で２回プローブ超音波処理して、セルロースで修飾された導電性ポリマーの均質化された混合物を得た。超音波処理後、液体を８００ｒｐｍで３０分間遠心分離し、溶液から上清を除去することによって混合物からより重い粒子を除去した。上述のプロセスは、濾過プロセスと比較して、均一な濃度のセルロース粒子を提供した。濾過プロセスでは、特定のサイズを超える粒子のみが液体から除去されます。粒子の形状は同じままですが、上記の方法では粒子がフレークまたはナノロッドに成形されます。この 2 次元の機能は、ガス検知アプリケーションに使用すると応答性が高くなります48。混合物が調製されたら、溶液を変換電極上に注ぎ、各変換幾何学的形状の各タイプについて、各変換アクリル板を1000 rpmで120秒間スピンコートした。

変換電極は、センシング用途で一般的に使用されます。電極は、亜酸化窒素、ガス状アンモニア、湿度など、さまざまな種類のガスを測定する機能を提供します49。さまざまなパターンの電極の性能をテストするために、最も頻繁に測定される物理量、つまり湿度を扱うことにしました。これにより、社内設備を利用してさまざまなパターンの電極の性能パラメータを評価するための基盤が構築されました。屋内環境の湿度は非常に低く安定しているため、電極の挙動を監視するために湿度を制御できる環境で実験を実施しました。そこで、外部加湿器に接続されたプラスチック容器内に環境を構築し、湿度レベルを変化させて継続的に監視しました。実験装置の基本的なレイアウトを図 11 に示します。

実験装置のレイアウト。

このコンテナは、DHT22 センサーとさまざまなパターンの電極をその中に配置できるように構築されています。容器内の湿度を均一にするために、レーザーカッターで穴を開けた2枚のアクリル板を容器内に水平に置きました。直径 5 mm の穴を両方のプレートに均等に広げ、それらの間の間隔は 15 mm、上部プレートと底部プレートの間の穴は 7 mm ずらしました。底部プレートは湿気を均一に分散するのに役立ち、上部プレートは過剰な湿気をチャンバーから放出するのに役立ちます。４つのＤＨＴ２２湿度センサーを、センサーと電極センサーが上部プレートと下部プレートの間に位置する容器の内壁の周りに垂直に配置されるように、容器の４つの側面すべてに配置した。これにより、さまざまな湿度レベルでの変換電極センサーのさまざまなパターンすべての性能を同時にテストできるようになりました。穴の開いた 2 つのプレートは容器の内側に収まり、容器の中央には加湿器に落ちるプラスチックのパイプ用にはるかに大きな穴が切り取られています。

湿度は、安価でユーザーが湿度を制御できる加湿器と呼ばれる器具を使用して簡単に生成できます。実験で使用した加湿器は飛沫のない超音波クールミスト発生器で、1.5リットルの水タンクを備えています（コーガンミニ1.5L加湿器）。加湿器を容器の底に置き、加湿器の出口に接続する幅 30 mm のパイプをしっかりと取り付けるための円形の穴を底に切り抜きました。加湿器の上にコンテナを置くための支持構造が構築されました。加湿器は、ミストを容器の上部からパイプを通して下部に排出します。各変換パターンには、銀インクで満たされた 2 つの正方形のパッドがあり、感知電極自体まで伸びています。粘着銅テープを使用して小さな部分を 2 つのパッドに固定し、細いマルチストランドワイヤをテープにはんだ付けして接続できるようにしました。加湿器がコンテナ内に湿度を導入し始めるとすぐに、DHT22 センサーが湿度レベルの読み取りを開始し、同時に変換電極が湿度レベルの感知を開始します。 DHT22 センサーからの湿度レベルは、Nucleo-F446RE ボードで取得された容量性測定値とは別に Arduino Nano を使用して読み取られました。実験セットアップのコンポーネントは図 11 にラベル付けされています。

実験装置の上面図は、6 つの異なるパターン (蛇行、インターディジタル、蛇行、円形スパイラル、長方形スパイラル、およびカスタム設計) の変換電極と 4 つの DHT22 湿度センサーの位置を示しており、すべて容器の内壁に取り付けられています。

この研究では、レーザーアブレーションプロセスを使用して製造された 6 つの異なる電極レイアウト間の比較を示しました。特定の用途とその要件に応じて、環境湿度センサーの適切な変換スキームを確認できることが観察されています。大面積のセンシングアプリケーションの場合、提示された設計は拡張性があり、センシングアプリケーションに適しています。この研究で紹介されているカスタム三角形パターンは、大面積のスケーラビリティが問題にならない場合には有望なスキームとなります。製造されたセンサーは、さまざまな相対湿度レベルでテストされ、さまざまな変換スキームに対して一般に 0.13 ～ 2.37 pF/%RH の範囲の感度で良好な感知応答を達成しました。蛇行幾何学変換スキームは、製造されたセンサーの中で最も高い感度を報告しましたが、この幾何学には、湿度に対する容量性応答の関連する非線形性に加えて、応答と回復時間が低いなどのいくつかの欠点がありました。ここで紹介する研究は、小規模で低コストの研究室でセンサーを製造するための簡単なアプローチ、生体適合性センシング層、プロセスの概要を提供しており、これは蔓延する新型コロナウイルス感染症のパンデミック中に大きな利点となる可能性があります。さらに、提示された製造スキームから得られた結果は、適切な感知層を備えた高解像度パターニング電極形状に拡張することができます。

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この研究は、マッセイ大学研究基金 (MURF 2019 助成金番号 RM21558) の支援を受けました。

機械電気工学部、SF&AT、マッセイ大学、オークランド、0632、ニュージーランド

ムハマド・アシフ・アリ・レーマニ、カルティカイ・ラル、アーシャ・ショウカット、ハリド・マフムード・アリフ

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MAAR、KL、AS、KMA が研究を設計しました。 MAAR と KL は実験を実施し、データを分析しました。 KMA は資金を獲得し、リソースを提供し、研究を監督しました。 MAAR、AS、KL が最初の草稿を書きました。著者全員が原稿を読み、最終的な形に貢献しました。

ハリド・マフムード・アリフ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

レーマニ、MAA、ラル、K.、シャウカット、A. 他。感知用途向けのレーザーアブレーション支援マイクロパターンスクリーン印刷変換電極。 Sci Rep 12、6928 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-10878-6

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受信日: 2021 年 11 月 21 日

受理日: 2022 年 4 月 14 日

公開日: 2022 年 4 月 28 日

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

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