均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法及应用技术

本发明专利技术一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法及应用，属于柔性电子制造领域；首先制备传感器衬底混合液，然后打印石墨烯叉指导电电极，导电石墨烯受自身重力和粘性PTFE/PDMS/NaCl混合液的包裹作用，下沉嵌入PTFE/PDMS/NaCl混合液内部，得到传感器初始状态；最后将PTFE/PDMS/NaCl柔性衬底中的NaCl去除产生微小孔洞，获得PTFE/PDMS

【技术实现步骤摘要】
均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于柔性电子制造领域，具体涉及一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]智慧城市和智能穿戴的快速发展对高性能柔性传感器件提出了更高的要求，如自适应拉伸、弯曲等变形，反馈灵敏，温度湿度耐受性等。为满足此类严格需求，传感器的导电体通常需要被弹性体封装保护，因此柔性传感器件通常包括导电电极部分和柔性基底部分。当前制备方法主要集中在柔性导电电极制备和柔性基底制备以及两者的层合封装成型等领域。其中柔性导电电极的主要制备方法有激光切割、丝网印刷、3D打印等，然而此类制备方法均需将成形后的电极进行转移并和柔性基体进行封装，这一过程不可避免对电极图案造成影响，尤其是当导电电极具有复杂的形状。因此发展一种无须电极转移，能够自封装的柔性传感器件制备技术具有重要意义。
[0003]现有技术中公开了采用3D打印技术制备传感器，该方法适用于制备柔性导电体部分，但因缺少外部衬底保护，难以适应复杂的检测环境。此外，当前3D打印制备的柔性传感器均需要外部电源供能，随着智慧城市和智能穿戴的逐步成熟，频繁更换电池或采用额外电源供电会大大降低传感器检测的功效和可靠性。因此，快捷的电源供应正在成为柔性传感器件的发展目标之一。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，该传感器是一种自封装成型的自供能柔性传感器件,利用均匀微滴喷射3D打印技术，制备一种聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)/聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)作为起电部分、石墨烯叉指电极作为导电电极的驻极体增强纳米摩擦发电机柔性传感器，当该柔性传感器受到外界冲击载荷激励时，受导电电极和驻极体之间的摩擦/静电感应影响，促使器件内部发生电荷定向转移而行成电流，对应于不同激励的载荷峰值，该传感器的开路电压也会不同，并和载荷峰值在一定范围内表现出线性对应的关系，因此通过观测传感器的电压信号，可直接对外部冲击激励进行测量。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，具体制备方法如下：
[0007]步骤1：驻极体增强传感器衬底混合液制备；
[0008]将聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂按照10:1的质量比进行混合，得到混合液A；在混合液A中添加聚四氟乙烯PTFE得到混合液B，在混合液B中添加粉末状氯化钠NaCl得到混合液C，充分搅拌混合均匀得到PTFE/PDMS/NaCl混合液；使用旋涂机将PTFE/PDMS/NaCl混合液旋涂在聚酰亚胺PI容器内，70℃下预固化3
‑
5min，提升混合液粘度；
[0009]步骤2：打印石墨烯叉指导电电极；
[0010]将步骤一预固化后的旋涂有PTFE/PDMS/NaCl混合液的容器置于打印平台上，与喷嘴正对；喷射装置根据叉指电极图案和喷射工艺要求，制备出叉指电极图案的导电石墨烯，作为导电电极；所述导电石墨烯受自身重力和粘性PTFE/PDMS/NaCl混合液的包裹作用，最终下沉嵌入PTFE/PDMS/NaCl混合液内部，得到传感器初始状态；
[0011]步骤3：传感器的后处理；
[0012]将步骤二所得的传感器初始状态置于真空干燥箱，调节温度为170
‑
220℃，使其充分固化60min；将完全固化后的传感器件置于清水之中，进过缓慢弯曲、拉伸，使传感器件的PTFE/PDMS/NaCl柔性衬底中的NaCl溶于水并产生微小孔洞；然后充分挥发释放导电电极中的表面绝缘物质；最后获得PTFE/PDMS
‑
石墨烯电极发电机传感器件，即自驱动冲击传感器件。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，按照混合液A质量分数的30％添加聚四氟乙烯PTFE。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，按照混合液B质量分数的20％添加粉末状氯化钠NaCl。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，将混合均匀的混合液C抽真空处理，排出混合液C内气泡。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤2中，采用均匀微滴喷射装置打印导电石墨烯叉指电极图案。
[0017]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤2中，将设计好的叉指电极图案输入至计算机中，调节均匀微滴喷射装置的参数为：电压5V、脉宽10～30μS、频率0.1～0.2Hz。
[0018]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤3中，将去除NaCl后的传感器件擦干，再次置于真空干燥箱，调节温度为200
‑
220℃，热处理时间为60
‑
80min，实现充分挥发释放导电电极中的表面绝缘物质。
[0019]一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的应用，其特征在于：
[0020]首先，将PTFE/PDMS
‑
石墨烯电极发电机传感器件两端外接导线A和B，导线A另一端连接于电压检测仪器，导线B另一端接地；
[0021]然后，使用纳米胶带将PTFE/PDMS
‑
石墨烯电极发电机传感器件充分粘附于待测物体表面，施加固定频率和载荷峰值的冲击激励，受导电电极和PTFE/PDMS驻极体之间的摩擦/静电感应影响，记录PTFE/PDMS
‑
石墨烯电极发电机传感器件的电压信号V
i
，完成待测物体任意冲击载荷下的检测传感。
[0022]本专利技术的进一步技术方案是：对所述PTFE/PDMS
‑
石墨烯电极发电机传感器件的冲击载荷检测：逐步增加激励的峰值载荷P1‑
P
n
，分别记录对应的电压信号V1‑
V
n
，鉴于电压信号峰值和载荷峰值具有显著的线性关系，因此最大检测范围内任意电压V
i
对应的冲击载荷峰值为：
[0023][0024]其中，n表示冲击测试的总次数，i表示具体第i次测试。
[0025]本专利技术的进一步技术方案是：所述峰值载荷P1‑
P
n
在100N内。
[0026]有益效果
[0027]本专利技术的有益效果在于：本专利技术首先制备了一种PTFE驻极体增强的PDMS和NaCl混合液，将混合液槽置于打印平台之上，采用均匀微滴喷射3D打印技术在粘性混合液内成形所设计的石墨烯叉指电极图案，通过水洗去除完全固化且自封装传感器件内部的NaCl粉末并行成微孔通道，加热传感器件将导电电极内的绝缘物质从微孔排出，形成导电性能良好的驻极体增强纳米摩擦发电机传感器件。最后将器件接线并充分粘附于待测物体表面，逐步调整激励载荷峰值，并分别记录对应的电压信号，进而对任意冲击载荷进行检测传感。
[0028]本专利技术所提制备方法的难点在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：驻极体增强传感器衬底混合液制备；将聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂按照10:1的质量比进行混合，得到混合液A；在混合液A中添加聚四氟乙烯PTFE得到混合液B，在混合液B中添加粉末状氯化钠NaCl得到混合液C，充分搅拌混合均匀得到PTFE/PDMS/NaCl混合液；使用旋涂机将PTFE/PDMS/NaCl混合液旋涂在聚酰亚胺PI容器内，70℃下预固化3
‑
5min，提升混合液粘度；步骤2：打印石墨烯叉指导电电极；将步骤一预固化后的旋涂有PTFE/PDMS/NaCl混合液的容器置于打印平台上，与喷嘴正对；喷射装置根据叉指电极图案和喷射工艺要求，制备出叉指电极图案的导电石墨烯，作为导电电极；所述导电石墨烯受自身重力和粘性PTFE/PDMS/NaCl混合液的包裹作用，最终下沉嵌入PTFE/PDMS/NaCl混合液内部，得到传感器初始状态；步骤3：传感器的后处理；将步骤二所得的传感器初始状态置于真空干燥箱，调节温度为170
‑
220℃，使其充分固化60min；将完全固化后的传感器件置于清水之中，进过缓慢弯曲、拉伸，使传感器件的PTFE/PDMS/NaCl柔性衬底中的NaCl溶于水并产生微小孔洞；然后充分挥发释放导电电极中的表面绝缘物质；最后获得PTFE/PDMS
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石墨烯电极发电机传感器件，即自驱动冲击传感器件。2.根据权利要求1所述一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，按照混合液A质量分数的30％添加聚四氟乙烯PTFE。3.根据权利要求2所述一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，按照混合液B质量分数的20％添加粉末状氯化钠NaCl。4.根据权利要求1所述一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，将混合均匀的混合液C抽真空处理，排出混合液C内气泡。5.根据权利要求1所述一种均匀微滴喷射打印自驱动冲击传感器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，采用均匀微滴喷射装置打印导电石...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，晁许江，罗俊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：