使用具有成本效益的Inkjet噴墨打印技術(shù)制備零下溫度傳感器
通過(guò)優(yōu)化印刷石墨烯納米復(fù)合油墨的光子燒結(jié)條件，在柔性PDMS基板上基于石墨烯納米復(fù)合材料噴墨打印的零下溫度傳感器的制造和表征，獲得了溫敏導(dǎo)電石墨烯納米復(fù)合層，該基板能夠在-30°C至80°C之間的大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)溫度，用于制藥應(yīng)用的冷藏監(jiān)測(cè)。該傳感器通過(guò)信號(hào)處理電路將信號(hào)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)并在數(shù)字顯示器上監(jiān)控溫度值，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線操作傳感。此外，這種傳感器還可以用于生物應(yīng)用的溫度傳感測(cè)量，因?yàn)樵煅杉?xì)胞、人上皮細(xì)胞、細(xì)胞成分（DNA、RNA）和小鼠成纖維細(xì)胞等生物材料通常需要在零下溫度范圍內(nèi)（主要低于-10°C）儲(chǔ)存數(shù)月或數(shù)年，對(duì)溫度敏感易造成損害。因此，通過(guò)使用基于石墨烯納米復(fù)合材料的零下溫度傳感器，可以*容易地監(jiān)測(cè)生物物種的實(shí)時(shí)溫度。
實(shí)驗(yàn)使用MicroFab Jetlab 4 噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行打?。▓D1c），因?yàn)樗哂卸喙δ苄?、精密度和可操作性。選擇孔口直徑為80μm的壓電打印頭，能夠產(chǎn)生具有精確體積和尺寸的液滴，這對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量的印刷材料**重要。采用雙電壓為60V、下降持續(xù)時(shí)間為25s單偏置脈沖，液滴發(fā)生頻率為600Hz。在打印過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)調(diào)整至液滴的形狀、尺寸和速度的目標(biāo)參數(shù)，此實(shí)驗(yàn)的液滴尺寸為100-120μm的液滴。為了高效打印，采用了速度為50mm/s 飛行打印模式。選擇噴頭溫度為35°C，打印底臺(tái)溫度為70°C，以確保適當(dāng)?shù)挠湍街透稍镄?，此?shí)驗(yàn)需要精準(zhǔn)控制噴頭和打印底臺(tái)的溫度，以確保**打印條件，這對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量的印刷品至關(guān)重要。
▲ 圖1 基于石墨烯納米復(fù)合材料的噴墨打印溫度傳感器的制備工藝示意圖
▲ 圖2 石墨烯油墨在PDMS表面的接觸角測(cè)量和印刷石墨烯薄膜的附著力測(cè)試
（1）
▲ 圖3 石墨烯油墨在PDMS表面的接觸角測(cè)量和印刷石墨烯薄膜的附著力測(cè)試
▲ 圖4 （a）預(yù)燒結(jié)和（b）后燒結(jié)（10脈沖，3 kV）印刷石墨烯納米復(fù)合薄膜的FESEM圖像
▲ 圖5 （a）光子固化前和（b）光子固化后印刷石墨烯/乙基纖維素納米復(fù)合薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像
▲ 圖6 （a） 非封裝傳感器的電阻隨溫度的變化（從-30°C到80°C），（b）和（c）電荷載流子在較低和較高溫度下的平均自由程的示意圖，（d）封裝傳感器的電阻隨溫度的變化（%）（從-30到80°C），（e）電阻隨6°C時(shí)間的變化， 分別為60°C和95°C，（f） 在燈開啟和關(guān)閉條件下電阻隨時(shí)間的變化
▲圖7（a）放置在印刷陣列傳感器上的熱表面示意圖，（b）與熱表面放置相對(duì)應(yīng)的電阻變化
▲圖8 （a）封裝的印刷石墨烯層，（b）在40°C至50°C的非零度范圍內(nèi)從表面到活性層的溫度分布，（c）在-20°C至-30°C的零下范圍內(nèi)從表面到活性層的溫度分布
▲圖9 溫度傳感器無(wú)線集成電路圖示意圖
▲視頻S1 溫度傳感器視頻 1
▲視頻S2 溫度傳感器視頻 2
MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng) Jetlab Ⅱ
特點(diǎn)
Inkjet噴墨打印技術(shù)，數(shù)字可控，高精度運(yùn)動(dòng)控制
具備校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位打印
產(chǎn)生皮升體積液滴，液滴體積CV<1%，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定量
打印效率高，噴頭頻率1-30kHz
配置有MicroFab應(yīng)用程序及PC，可進(jìn)行液滴的測(cè)量及觀測(cè)
材料適應(yīng)性強(qiáng)，適用多于500種的液體噴射，溶液粘度范圍1-30cps
可放大、觀察和測(cè)量打印的工件
噴頭可清洗，可重復(fù)使用
本文介紹了噴墨打印柔性溫度傳感器的成功制造，并演示了其無(wú)線操作。據(jù)報(bào)道，傳感器能夠監(jiān)測(cè)?30 °C至80 °C的寬溫度范圍，靈敏度為0.119 %/°C。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，商業(yè)石墨烯納米復(fù)合油墨被噴墨印刷在柔性PDMS基材上，并被用作溫度傳感層。印刷油墨經(jīng)過(guò)低熱預(yù)算光子燒結(jié)，除去了配方中的粘合劑、乙基纖維素、有機(jī)溶劑等其他化學(xué)物質(zhì)，并表達(dá)誘導(dǎo)功能。總體而言，這項(xiàng)工作解決了與柔性溫度傳感器制造相關(guān)的幾個(gè)現(xiàn)有挑戰(zhàn)，并通過(guò)柔性石墨烯納米復(fù)合材料器件提出了印刷、光子燒結(jié)和零下溫度傳感的獨(dú)特組合。未來(lái)的前景包括具有不同功能的多個(gè)傳感器的可擴(kuò)展性，集成到工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常需要的復(fù)雜系統(tǒng)中，以及監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)生物溫度變化。
參考文獻(xiàn)：
[1] Saurabh Soni,Pushkar Sathe,Sudipta Kumar Sarkar,Ashok Kushwaha, Dipti Gupta,Inkjet-printed sub-zero temperature sensor for real-time monitoring of cold environments,International Journal of Biological Macromolecules 258 (2024) 128774
