噴墨打印PDMS彈性微結(jié)構(gòu)制備壓力傳感器介質(zhì)層

2021-02-18 12:49 睿度光電RUIDU
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蘇州納米所林劍研究員課題組提出了一種通過用乙酸正丁酯來稀釋聚二甲基硅氧烷（PDMS）來降低PDMS粘度的方法，并將稀釋后的PDMS配合Jetlab Ⅱ高精度噴墨打印系統(tǒng)直接制備出了具有彈性微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，開辟了PDMS及其復(fù)合材料應(yīng)用在功能設(shè)備上的工藝。




蘇州納米所林劍研究員課題組在“The elastic microstructures of inkjet printed polydimethylsiloxane as the patterned dielectric layer for pressure sensors”（發(fā)表于《APPLIED PHYSICS LETTERS》）的研究中，開發(fā)了一種直接噴墨印刷工藝，以使用乙酸正丁酯稀釋的聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造用于壓力傳感器的圖案化彈性微結(jié)構(gòu)。

課題組在該研究中，使用交聯(lián)劑稀釋后的PDMS前驅(qū)體混合物，在25℃下固化后的PDMS膜的彈性模量和硬度值低于未稀釋的PDMS前驅(qū)體。采用印刷PDMS薄膜作為微結(jié)構(gòu)介質(zhì)層的電容器具有*高的壓敏性。此外，噴墨打印PDMS薄膜結(jié)構(gòu)的摩擦電傳感器，可控制能夠產(chǎn)生高達(dá)1.23V的電壓信號，且不需要任何放大。結(jié)果表明，機(jī)械性能和彈性微結(jié)構(gòu)圖案在PDMS傳感器中扮演關(guān)鍵的角色?？刂屏W(xué)性能的PDMS介電層與微觀結(jié)構(gòu)可以通過噴墨印刷直接制造出來，從而開辟了PDMS及其復(fù)合材料應(yīng)用在功能設(shè)備上。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種典型的有機(jī)硅彈性體，具有良好的拉伸性能、化學(xué)/生理/熱穩(wěn)定性、低模量和光學(xué)透明度，以及低成本和易于制造等優(yōu)良性能。它已被廣泛應(yīng)用于微流體，軟光刻，分析化學(xué)，電子，醫(yī)療設(shè)備，聚合光學(xué)。在過去的幾年里，PDMS及其復(fù)合材料在傳感器和能源收獲方面的應(yīng)用被報(bào)道。在電容式、摩擦式、壓阻式壓力傳感器中，微結(jié)構(gòu)PDMS薄膜已被證明是高靈敏度和快速響應(yīng)時間的關(guān)鍵元件。

與復(fù)制模塑或其他潛在的大面積打印/涂層技術(shù)相比，噴墨打印是一種低成本、方便的非接觸式沉積定制圖案材料的方法。然而，由于高粘度和連續(xù)的交聯(lián)反應(yīng)，通常不可能使PDMS前體通過壓電驅(qū)動的噴墨噴頭噴射出來。盡管體積在10μL到100μL之間的噴射器可以將液滴噴射出去，但是仍然*難產(chǎn)生pl級的液滴。

用功能溶劑稀釋PDMS前驅(qū)體是一種簡單有效的降低粘度的方法。將已稀釋的己烷前驅(qū)體旋轉(zhuǎn)涂布，制備出70nm的PDMS薄膜。此外，適當(dāng)稀釋后的混合物可以使用噴涂技術(shù)處理。在本文中，將PDMS前體用良好的溶劑稀釋，并將帶有pl尺度的液滴直接噴墨打印的圖案膜用作壓力傳感器的微透鏡或微結(jié)構(gòu)介質(zhì)層。為消除噴嘴堵塞，選用高沸點(diǎn)乙酸正丁酯作為稀釋溶劑，減少印刷過程中油墨的蒸發(fā)。將交聯(lián)劑與PDMS前體混合物以1:3的體積比稀釋。將稀釋后的混合物至少攪拌10分鐘后，使用MicroFab Jetlab Ⅱ噴墨打印機(jī)及直徑50μm的MJ噴頭進(jìn)行打印。將PDMS直接印在氧化銦錫（ITO）鍍膜玻璃上，分別用丙酮、去離子水和異丙醇進(jìn)行超聲波清洗。

▲ 上圖為噴墨打印PDMS的原理圖和打印液滴的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，可以看出印在ITO/玻璃表面的單一固化的PDMS液滴具有**平坦的球形段形狀（底座外徑160μm;高度1.6μm），體積約16 pL。此外，PDMS可以直接在柔性PET薄膜上打印成任何圖案。

▲ 上圖為打印PDMS為介質(zhì)層的自供電摩擦電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。由于PDMS與PET之間的電荷產(chǎn)生和分離，PDMS在ITO/玻璃表面形成的微結(jié)構(gòu)圖案可以被當(dāng)作自供電的摩擦電傳感器的活性層。為了驗(yàn)證噴墨打印PDMS微結(jié)構(gòu)的摩擦電效應(yīng)，將ITO/PET薄膜覆蓋在打印和自旋PDMS涂層上，PET側(cè)面接觸PDMS，制備了一系列摩擦電傳感器。
用一個小的鋁箔顆粒在裝置上誘導(dǎo)施加的力。輸出電壓的比較如上圖所示。

結(jié)果表明，顆粒撞擊PET薄膜后產(chǎn)生了不同尺度的脈沖，具有明顯的阻尼振動。PDMS在壓制過程中具有更大的有效摩擦電效應(yīng)，并且在器件釋放時更容易分離摩擦電荷。而良好性能的摩擦電傳感器是由于PDMS覆蓋和摩擦電效應(yīng)平衡的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：
[1] Peng Y , Xiao S , Yang J , et al. The elastic microstructures of inkjet printed polydimethylsiloxane as the patterned dielectric layer for pressure sensors[J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(26):261904.
論文鏈接：
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4990528


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