基于喷墨打印柔性传感技术的研究

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随着物联网、智能穿戴和现代物流业的不断发展,市场对于智能仪器、可穿戴设备以及柔性电子等领域的需求也在日益增长,物联网的本质就是将各个物体通过无线通讯和电子标签连接在一起。而作为物联网重要的组成元素,传感器的需求量急剧增大,因此寻找具有低成本、高产量、高集成度特点的传感器制造技术变得十分重要。传感器可以将物联网所要采集的各种数据,如温度、湿度、声音、压力等信息转换成特定的电信号,达到“万物互联”的设计构想。传统的硅传感器制造工艺复杂冗长,已经越来越不能满足设计生产要求,为了满足当下在智能穿戴、万物互联和物流运输监测等方面的大量需求,必须研究开发新的传感器制造工艺,通过更为简化的工艺流程和较低的制造成本制造出轻便且具有弯曲特性的新型柔性传感器,检测目标包括环境温度、湿度等。本文根据传感器实际应用需求,以纳米银导电墨水作为金属材料,以聚酰亚胺(Polyimide,PI)薄膜作为柔性基底材料,利用喷墨打印技术和烧结工艺,在柔性基底上先后制备了电阻型温度传感器和电容型湿度传感器,成功探索出基于喷墨打印技术的金属化工艺流程。对制备的温度传感器灵敏度、温滞和测量范围等特性进行了探究。测试结果表明,通过喷墨打印技术制备的温度传感器,在-25℃-125℃温度范围内具有良好的线性度和灵敏度,给出的测量电路有效地解决了传感器温度量化问题,减小了系统测量误差。制备的湿度传感器在20%RH~90%RH湿度范围内可实现对湿度的有效测量,实验还对金属极板表面进行了树脂保护膜覆盖防护,可防止水蒸气和氧气的腐蚀和氧化。通过数学建模,利用MATLAB工具计算拟合,提高了湿度传感器的反应时间,给出了C/V模拟转换电路,该电路实现了对电容式湿度传感器的数据量化功能。利用喷墨打印技术完成了柔性传感器的一次性制造,简化了复杂的传统工艺步骤,在PI衬底上实现了多种传感器集成化系统,达成了柔性传感器高效率、低成本、可批量生产的设计目标。最后将柔性传感器与RFID技术相结合,给出了温度传感器数据无线传输设计方案,增强了标签的扩展性,使其应用领域变得更加宽广。
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