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聚酰亞胺金屬圖形化的柔性E+E壓力傳感器研究
近幾年柔性電子器件快速發(fā)展,在顯示屏,機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。聚合物是柔性器件的重要組成部分,不僅提供柔性支撐,更是一種功能性材料,可以產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移并處理機(jī)械、電等信號。以聚酰亞胺薄膜(PI)為基礎(chǔ)材料,研究了通過離子交換在其表面實(shí)現(xiàn)金屬圖形化的工藝,并基于該工藝,在柔性PI上制作了壓力三種傳感器,測試傳感器的性能。

聚酰亞胺金屬圖形化的柔性E+E壓力傳感器研究
研究工作如下：基于全濕化學(xué)工藝(all-wet chemical),離子交換實(shí)現(xiàn)PI表面金屬圖形化。首先,通過KOH溶液處理,聚酰亞胺薄膜表面被改性為聚酰胺酸(鉀鹽)(PAA),接著經(jīng)過銀氨溶液浸泡,K +g+交換,再利用噴墨打印作為掩模層,采用雙氧水快速還原法和熱處理還原法,制備了Ag-PI復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了金屬銀的圖案化。對Ag-PI復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄膜進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)所生成的銀為面心立方結(jié)構(gòu)。銀層致密,具有良好的導(dǎo)電性。研究表明,采用上述兩種方法所得到的PI表面存在著差異,熱處理法會使得改性后產(chǎn)生的PAA環(huán)化,重新形成PI；而雙氧水快速還原法不會對改性后的PI產(chǎn)生影響,其表面仍然是PAA。研究了堿性溶液改性處理時(shí)間、銀氨溶液離子交換處理時(shí)間以及還原時(shí)間等對復(fù)合薄膜銀層電學(xué)性能的影響,得到了優(yōu)化的工藝條件。zui后膠帶粘貼測試表明,銀與襯底之間存在*的結(jié)合力；彎曲測試表明,銀層有很好的魯棒性能,在彎曲次數(shù)超過10000次后沒有明顯的損傷。實(shí)現(xiàn)了基于“一步掩模法”的大面積新型柔性濕度傳感器陣列。PI及其改性產(chǎn)物PAA既是襯底又作為感濕材料。結(jié)合PI表面金屬圖形化工藝制作了叉指電極,實(shí)現(xiàn)了“一步掩模法”制造基于P1材料和PAA材料的叉指電容式濕度傳感器,研究了感濕性能。發(fā)現(xiàn)基于PI材料的傳感器的性能要優(yōu)于PAA材料。另外,為了解決濕度傳感器響應(yīng)慢的特點(diǎn),利用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,發(fā)展了一種通過對動態(tài)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,準(zhǔn)確快速地估算真實(shí)的濕度值的方法。“一步掩模法”制備了柔性溫度傳感器。在聚酰亞胺薄膜上設(shè)計(jì)制作兩種形狀(蛇形,螺旋形)的銀電阻型溫度傳感器。測試結(jié)果表明,溫滯小,zui大溫滯誤差1%；響應(yīng)時(shí)間在幾十秒左右。兩種傳感器的zui大非線性誤差小于4.8%,相關(guān)因子大于0.998。對于采用蛇形和螺旋型結(jié)構(gòu)的傳感器,靈敏度分別為0.002/℃左右。研究表明,制得的溫度傳感器性能良好,在100℃以內(nèi),靈敏度方面與常用的鉑電阻RTD相當(dāng),適用于溫度測量。研制了基于石墨/PDMS復(fù)合材料的E+E壓力傳感器。采用“一步掩模法”工藝在聚酰亞胺襯底上制作了叉指型電極,滴涂一層石墨/PDMS有機(jī)復(fù)合材料為壓阻材料,制作了E+E壓力傳感器。

聚酰亞胺金屬圖形化的柔性E+E壓力傳感器研究
測試結(jié)果表明,在曲率從0.03 mm-1變化到0.12mm-時(shí),電阻變化范圍約為8 kΩ～12 kΩ；zui大遲滯誤差不到3%；響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間均小于1s。在曲率小于0.10mm-1的情況下其重復(fù)性良好,誤差不超過2%。實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、E+E壓力傳感器在PI襯底上的單片集成,所研究的系統(tǒng)有望應(yīng)用于人體舒適度測量、機(jī)器人、智能皮膚等柔性電子學(xué)領(lǐng)域。