噴墨打印技術(shù)制備高性能柔性溫度傳感器

2023-08-18 09:32 睿度光電RUIDU
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法國(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)M. Bendahan教授團(tuán)隊(duì)利用噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種高性能柔性溫度傳感器,以實(shí)現(xiàn)人體表面溫度的測(cè)量。使用MicroFab按需噴墨打印系統(tǒng)Jetlab4(噴頭50μm)將有機(jī)銀絡(luò)合物墨水在PI膜上進(jìn)行圖案化,制備具有6.2cm2敏感區(qū)、365nm銀層厚度、300μm銀線寬度、60μm電導(dǎo)體間距的溫度傳感器,平均靈敏度為2.23×10?3?1。噴墨打印技術(shù)在靈活基材上實(shí)現(xiàn)高性能傳感器制備的能力,為未來醫(yī)療應(yīng)用的溫度傳感器帶來了潛在的可能性。




介紹

噴墨打印技術(shù)在電子器件制造領(lǐng)域中具有巨大潛力,與傳統(tǒng)的光刻和蒸發(fā)沉積方法相比,具有成本低、高通量、柔性和可定制等優(yōu)勢(shì),能夠直接將墨水噴射到基材上形成所需的結(jié)構(gòu),并且可以實(shí)現(xiàn)高分辨率和復(fù)雜的圖案。在傳感技術(shù)中,溫度傳感器可能是應(yīng)用最廣泛的。M. Bendahan教授團(tuán)隊(duì)使用MicroFab Jetlab 4按需噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行噴墨打印(液滴參數(shù)如圖1所示),成功地將有機(jī)銀絡(luò)合物墨水噴射在PI膜上,形成了銀涂層和傳感器結(jié)構(gòu),所制備的傳感器必須在1V的偏置電壓下供電,并且需要盡可能低的電流。

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圖1 Jetlab界面的脈沖波形。
通過調(diào)節(jié)參數(shù),可以消除衛(wèi)星液滴以達(dá)到理想液滴的發(fā)生,如圖2所示,顯示了噴墨打印機(jī)噴嘴的液滴形成的過程。實(shí)驗(yàn)樣品由400Hz噴射頻率進(jìn)行打印,液滴速度為~4.5m/s,打印完成后加熱至130℃,保持10分鐘,將沉積的銀納米顆粒去除溶劑轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電銀膜,在150℃烘箱進(jìn)行第二次燒結(jié),加熱30分鐘以獲得高導(dǎo)電性結(jié)構(gòu),薄層電阻和電阻率為0.163Ω/sq和5.9μΩcm。顯微結(jié)果如圖3所示。
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▲ 圖2 Jetlab 4 DOD噴墨打印機(jī)的液滴生成。優(yōu)化前的液滴噴射(a具有尾部拉伸和多個(gè)不需要且經(jīng)??梢韵男l(wèi)星液滴;b經(jīng)過一半優(yōu)化后的衛(wèi)星液滴;穩(wěn)定的液滴噴射(c)通過調(diào)整電壓和壓力參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
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▲ 圖3 PI膜上打印的銀線的掃描電子顯微鏡圖像。
在PI膜上制備的溫度傳感器2.85cm×2.26cm,打印的線條寬度為306μm、 平均厚度為365nm±2.8nm,線之間的間隙為60μm(見圖4)。為了確定印刷傳感器的線性、靈敏度和滯后性,進(jìn)行了退火前后電阻的測(cè)試,退火前在環(huán)境溫度下獲得的電阻為2.6kΩ,隨著進(jìn)一步退火,傳感器的電阻降低到1.9kΩ。由于該傳感器用于醫(yī)療應(yīng)用,因此感興趣的范圍在35到42℃,標(biāo)稱電阻測(cè)量值為38.5℃。表一顯示了溫度傳感器的靈敏度和38.5°C標(biāo)稱電阻隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明,所制備的傳感器在20°C至60°C范圍內(nèi)具有較高的靈敏度,能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)溫度的變化。
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▲ 圖4 (a)設(shè)計(jì)的溫度傳感器和(b) 噴墨打印的銀溫度傳感器在PI膜(Kapton)上。
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▲ 圖5 在環(huán)境溫度下,在0和1V之間的電壓下退火前后傳感器溫度的測(cè)量電流。
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表1 溫度傳感器的靈敏度和38.5°C標(biāo)稱電阻隨時(shí)間的變化。
為了觀察結(jié)果隨時(shí)間的變化,每隔20天進(jìn)行測(cè)量電阻-溫度的測(cè)試,如圖6所示,標(biāo)稱電阻增加±50Ω,靈敏度的**變化為0.1×10?3?1,表2中總結(jié)了測(cè)量結(jié)果以及兩種測(cè)量意義(溫度的上升和下降順序),結(jié)果表明需要涂層來保護(hù)打印的銀圖案。
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▲ 圖6 打印溫度傳感器隨時(shí)間的電阻-溫度變化曲線。
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表2 遲滯和測(cè)量范圍隨時(shí)間的變化。


結(jié)論

研究人員通過優(yōu)化噴墨參數(shù),使用MicroFab噴墨打印技術(shù)在PI膜上打印有機(jī)銀絡(luò)合物墨水,獲得了平滑均勻的銀涂層,實(shí)現(xiàn)了高性能的柔性溫度傳感器,結(jié)果表明樣品在溫度探測(cè)方面具有良好的靈敏度、線性和低遲滯,可用于醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居和智能交通等領(lǐng)域,但還需對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)以提高其穩(wěn)定性和性能。


參考文獻(xiàn):

[1]M.D. Dankoco, Tesfay G Y , Benevent E ,et al.Temperature sensor realized by inkjet printing process on flexible substrate[J].Materials Science & Engineering B, 2016, 205(Mar.):1-5.DOI:10.1016/j.mseb.2015.11.003.

專注于通過Inkjet、EHD、Ultra-sonic等微流體控制技術(shù)進(jìn)行高精度功能性納米材料微納沉積打印的開發(fā)及應(yīng)用