使用噴墨打印技術(shù)制備高響應(yīng)濕度傳感器

介紹

濕度測(cè)量對(duì)于貨物儲(chǔ)存、細(xì)胞生物學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)分析等各種應(yīng)用都*重要，其中聚合物基電阻性濕度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備、成本低、靈敏度高、響應(yīng)速度快、以及與現(xiàn)代集成電路技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。但關(guān)于聚合物濕度傳感器仍存在在低相對(duì)濕度下檢測(cè)難的問題。由于聚合物在干燥環(huán)境中的電導(dǎo)率極低，在技術(shù)上*難在極低濕度下檢測(cè)電阻變化，且為了應(yīng)對(duì)濕度敏感材料的低電導(dǎo)率，需要厚的聚合物膜來(lái)進(jìn)行電阻測(cè)量，因此，電阻性濕度傳感器的進(jìn)一步研究方向是具有改進(jìn)響應(yīng)特性的可控電導(dǎo)率和厚度敏感材料。

為了增加感測(cè)材料的導(dǎo)電性并減小電阻式濕度傳感器的厚度，將導(dǎo)電材料添加到感測(cè)膜中，研究證明在吸濕聚合物基體中加入金或銀納米顆粒可以大大提高納米薄膜的導(dǎo)電性，減少濕度傳感器的厚度可以顯著減少響應(yīng)時(shí)間。聚合物電阻式濕度傳感器的傳感層傳統(tǒng)方法是通過旋轉(zhuǎn)涂層制造納米厚度的薄膜，但聚合物薄膜不能直接沉積在所需的區(qū)域上，且在制造過程中會(huì)導(dǎo)致大量的材料浪費(fèi)。噴墨打印技術(shù)是一種非接觸式材料沉積方案，可以提供精確的液體沉積，具有圖案形成和靈活加工的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于微型電路上的薄膜傳感器打印。

廖英志教授等人通過使用MicroFab的Jetlab 4噴墨打印系統(tǒng)將PEGMUA/MUA-GNPs油墨沉積在PET薄膜上的叉指電極上，PET薄膜放置在45°C的加熱臺(tái)上。從50μm噴口直徑的壓電噴頭（MicroFab），以800Hz的頻率，以6m/s的速度噴射直徑為55μm的液滴。所有打印的GNP薄膜圖案都使用了35μm的點(diǎn)間距。

▲ 圖1 （a）TEM圖像和（b）PEGMUA/MUA GNPs的UV?vis光譜。（c） DLS測(cè)量的GNP溶液的粒度分布。（d） 在PET薄膜上使用GNP溶液的噴墨打印的圖案。（e）光學(xué)顯微鏡下PET薄膜上打印的濕度傳感器的示意圖和（f）光學(xué)圖像

滯后測(cè)試和溫度效應(yīng)如圖4所示，基于GNP的濕度傳感器對(duì)濕度變化表現(xiàn)出一致的電阻響應(yīng)，平衡電阻幾乎沒有滯后。隨著相對(duì)濕度從35%逐漸增加到95%，電阻呈指數(shù)下降。當(dāng)相對(duì)濕度再次從95%下降到35%時(shí)，電阻再次增加，與濕度增加的步長(zhǎng)基本相同?；贕NP的濕度傳感器的電阻也與其他聚合物濕度傳感器一樣表現(xiàn)出溫度依賴性如圖5a所示，在較高的溫度下，GNP薄膜吸收了更多的水，因此電阻更低。在圖5b中也檢查了溫度的依賴性，在固定的相對(duì)濕度為65%時(shí)，當(dāng)溫度從10℃上升到45℃時(shí)，電阻降低了約5倍。結(jié)果表明電阻隨溫度的變化相對(duì)小于濕度變化引起的變化，濕度變化可達(dá)10⁵倍，其溫度依賴性遠(yuǎn)小于濕度的影響。

結(jié)論

利用噴墨打印技術(shù)制作了一種柔性高響應(yīng)濕度傳感器。將GNP油墨打印在柔性PET的叉指電極上，以形成均勻的傳感薄膜。由于均勻分布的GNP與吸濕聚合物分離，打印的GNP薄膜的電導(dǎo)率對(duì)環(huán)境濕度變化**敏感。當(dāng)濕度從1.8增加到95RH%時(shí)，電阻可降低10⁵倍、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間分別為1.2秒和3秒，且傳感器可以區(qū)分頻率高達(dá)2.5Hz的除濕時(shí)的間歇加濕/除濕循環(huán)信號(hào)。噴墨打印制備的柔性傳感器也顯示出良好的靈活性，可以嵌入到用于人體呼吸檢測(cè)的口罩中，應(yīng)用于呼吸監(jiān)測(cè)。