CN105387957B - 基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器及其制备方法，基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的特征在于，包括上、下两个可拉伸基底，附着于可拉伸基底内表面的印刷透明电极，以及夹在两个印刷透明电极之间的介电层。与现有技术相比，本发明的可拉伸压力传感器既具有可拉伸、透明化特点，又具有较高的灵敏度与稳定性。另一方面，该可拉伸透明电极是利用印刷方式制备的，无需任何复杂的微纳加工过程，成本低、效率高、能耗小，特别适合于大面积、大规模的生产，有利于传感器的应用推广。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种可拉伸压力传感器及其制备方法，特别涉及一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器及其制备方法。
背景技术
可拉伸压力传感器是一种具有一定的拉伸形变特性，并能够感知外界压力的新型传感器。由于其既具有人类皮肤一样的可拉伸特性，又兼具皮肤对于外力的感知特性，因此能够在一定程度上模拟人体皮肤，可被用于仿生“电子皮肤”系统。新型可拉伸压力传感器相对于传统传感器，具有可拉伸、柔性化、生物兼容、灵敏度高等特点，有望大规模应用于可穿戴电子、人体体征监测、机器人外力感知、远程微创外科手术等领域。
目前，可拉伸压力传感器根据工作机理的不同可分为四类：电容式、电阻式、压电式和晶体管式。其中，电容式可拉伸压力传感器由于其较高的灵敏度、稳定的传感特性以及较低的驱动能耗特别适合电子皮肤应用。尽管自2000年后，各国学者对提高电子皮肤灵敏度进行了大量深入的研究，取得了理想的实验结果并建立了一定的理论依据。但是，其制备方法主要是利用真空沉积、光刻、化学腐蚀等微纳加工手段，成本高、效率低；同时，目前的传感器电极不能兼具良好的透明性和可拉伸性，极大的影响了其作为仿生电子皮肤的实用性与用户体验，限制了其在某些领域的应用。
因此，开发一种透明化、可拉伸、低成本、高灵敏度、高稳定性的压力传感器及其制备方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器，使其具有透明化、可拉伸、低成本、高灵敏度、高稳定性等优点。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器，其特征在于：包括上、下两个可拉伸基底，附着于可拉伸基底内表面的印刷透明电极，以及位于两个印刷透明电极之间的介电层。
优选的，所述可拉伸基底的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～100μm。
优选的，所述印刷透明电极的透光率为50～97％，方阻值为10～107Ω/sq。
优选的，所述印刷透明电极由图案化栅格形成。
优选的，所述图案化栅格形状包括：规则平面几何形状如正方形、长方形、三角形、梯形、多边形、圆形或椭圆；或不规则平面几何形状。
优选的，所述平面几何形状的线条宽度范围为1～100μm，线条高度范围为0.1～20μm。
优选的，所述图案化栅格由可拉伸导电油墨印刷形成，可拉伸导电油墨组分包括：导电材料、树脂连结料、添加剂以及溶剂，四者的质量比为5:1:0.2:3.8。
优选的，所述导电材料为一维金属材料与二维导电材料或一维金属材料与三维导电材料的混合物，其质量比为4:1。
优选的，所述一维金属材料为颗粒形状或类颗粒形状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等金属，或上述金属的合金，其粒径范围为5nm～10μm。
优选的，所述二维导电材料为线状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等金属，或上述金属的合金，或碳纳米管，其直径范围为5nm～500nm，长度范围为1～50μm。
优选的，所述三维导电材料为片状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等金属，或上述金属的合金，或石墨烯、石墨等非金属材料。
优选的，所述树脂连结料为偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物。
优选的，所述添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂。
优选的，所述溶剂为4-甲基-3-戊酮。
优选的，所述介电层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～20μm。
本发明的另一目的是提供一种上述基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法，步骤如下：
(1)、制备两个可拉伸基底；
(2)、制备可拉伸导电油墨；
(3)、利用丝网印刷、喷墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、微接触印刷、转移印刷、气流喷射、纳米压印等印刷方式，将(2)步骤中制备的可拉伸导电油墨印刷在(1)步骤中制备的可拉伸基底表面，形成图案化栅格，将印刷有图案化栅格的可拉伸基底置于80℃热台加热15分钟，得到带有透明电极的可拉伸基底；
(4)、制备介电层；
(5)、将S3步骤中制得的两个带有透明电极的可拉伸基底和S4步骤中制得的介电层，按照“夹心三明治”的结构进行贴合封装，其中可拉伸基底上印刷有透明电极的一侧面对面，介电层位于两个透明电极之间；
(6)、使用导电胶分别在两个透明电极上形成上导电极和下导电极，并从上导电极和下导电极上引出导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
优选的，所述(1)中所述可拉伸基底和所述(4)中所述介电层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～100μm，该可拉伸基底和介电层是通过如下方法制备的：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体与固化剂按照质量比10:1进行混合，利用迈耶棒在喷墨打印相纸表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，再于70℃固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸基底和介电层。
优选的，所述(2)中的可拉伸导电油墨是通过如下方法制备的：将一维金属材料、二维或三维导电材料、树脂连结料、添加剂、溶剂按照质量比4:1:1:0.2:3.8进行混合，利用高速分散机搅拌3小时，得到导电油墨。
与现有技术相比，本发明的积极效果在于：该可拉伸压力传感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为可拉伸基底，可拉伸导电油墨为电极原料，利用印刷方法制备了栅格化可拉伸透明电极，使得传感器既具有可拉伸、透明化特点，又具有较高的灵敏度与稳定性。可拉伸导电油墨组分中含有二维或三维导电材料，以达到拉伸过程中保持良好电连接的作用；油墨组份中还加入了能够促使更多导电填料聚集于树脂表面的聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂，使得透明电极能够在拉伸过程中保持良好的导电性。另一方面，该可拉伸透明电极是利用印刷方式制备的，无需任何复杂的微纳加工过程，成本低、效率高、能耗小，特别适合于大面积、大规模的生产，有利于传感器的应用推广。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的结构示意图。
图2为本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极的原理示意图。
图3-1为本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极扫描电子显微镜(SEM)图片。
图3-2为本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极中印刷栅格的微观形貌扫描电子显微镜(SEM)图片。
图4为本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的压力与电容变化关系图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的结构示意图，该基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器包括：上可拉伸基底1，下可拉伸基底2，附着于上可拉伸基底内表面的印刷透明电极3，附着于下可拉伸基底2的印刷透明电极4，以及夹在印刷透明电极3和印刷透明电极4之间的介电层5。
基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器工作原理为：当可拉伸基底受到压力时，附着于可拉伸基底内表面的两印刷透明电极间距将会发生变化，从而引起传感器电容值的变化，通过外部测试电容值变化可反映传感器受力情况。
可拉伸基底1和可拉伸基底2的材质是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～100μm。
介电层5的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～20μm。
如图2所示，是本发明基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极的原理示意图，图中线条部分是通过印刷可拉伸导电油墨得到的导电线条，空白部分则保证了光线良好的透过率。因此，总体呈现出良好的透明导电性。
印刷透明电极3和印刷透明电极4由图案化栅格形成，形状为正方形(也可以是长方形、三角形、梯形、多边形、圆形、椭圆等各种规则和不规则平面几何形状)。
平面几何形状的线条宽度范围为1～100μm，线条高度范围为0.1～20μm。
如图3-1所示，为本发明实施例1制备的基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极扫描电子显微镜(SEM)图片，说明通过印刷可拉伸导电油墨，在可拉伸基底上形成了图案化的栅格结构(本图片的图案化栅格形状为正方形，边长400μm，线宽80μm)。
图案化栅格由可拉伸导电油墨印刷形成，可拉伸导电油墨组分包括：导电材料、树脂连结料、添加剂以及溶剂，四者的质量为5:1:0.2:3.8。
导电材料为一维金属材料-银纳米颗粒与二维导电材料-银纳米线的混合物，其质量比为4:1。需要说明的是，所述导电材料还可以是一维金属材料与三维导电材料按照质量比4:1混合得到的混合物。
如图3-2所示，为本发明实施例1制备的基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器中印刷透明电极中印刷栅格的微观形貌扫描电子显微镜(SEM)图片，说明其主要成分为经过热处理后的一维银纳米颗粒以及二维银纳米线，银纳米线能够在传感器拉伸过程中起到“桥梁”的作用，保持导电填料的相互连接，从而保证印刷透明电极良好的导电性。图3-2右上角的插图为放大细节SEM图片，能够更加明显的表现出二维银纳米线的“桥梁”作用。
一维金属材料可以是颗粒形状或类颗粒形状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等常见金属，或上述金属的合金，其粒径范围为5nm～10μm。
二维导电材料可以是线状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等常见金属，或上述金属的合金，或碳纳米管，其直径范围为5nm～500nm，长度范围为1～50μm。
三维导电材料可以是片状的银、铜、金、铝、铅、锌、锡等常见金属，或上述金属的合金，或石墨烯、石墨等非金属材料。
树脂连结料为偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物。
添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂。
溶剂为4-甲基-3-戊酮。
本发明还提供了一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制作方法，步骤如下：
(1)、制备两个可拉伸基底；
(2)、制备可拉伸导电油墨；
(3)、利用丝网印刷、喷墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、微接触印刷、转移印刷、气流喷射等印刷方式，将步骤(2)中制备的导电油墨印刷在步骤(1)中制备的可拉伸基底表面，形成图案化栅格，将印刷有栅格化图案的可拉伸基底置于80℃热台加热15分钟，得到带有透明可拉伸电极；
(4)、制备介电层；
(5)、将步骤(3)中制得的两透明可拉伸电极和步骤(4)中制得的介电层，按照“夹心三明治”的结构进行贴合封装，其中透明可拉伸电极带有印刷图案化栅格的一侧面对面，介电层位于两个透明可拉伸电极之间；
(6)、使用导电胶分别在两透明可拉伸电极上形成上导电极和下导电极，并从上导电极和下导电极分别引出导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
步骤(1)中可拉伸基底和步骤(4)中介电层的制备方法如下：将市售聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体与固化剂(Dow Corning，SYLGARD 184，美国)按照质量比10:1进行混合，利用奥斯派-100迈耶棒(OSP-100，石家庄奥斯派机械科技有限公司)在市售喷墨打印相纸(佳能，LU-101专业绒面相纸，日本)表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，置于70℃热台固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸基底，厚度为100μm。采用同样方法，利用奥斯派-20迈耶棒(OSP-20，石家庄奥斯派机械科技有限公司)进行涂布，得到厚度为20μm的介电层。
需要说明的是，可以通过选择不同型号的迈耶棒进行涂布，达到控制涂布量和可拉伸基底以及介电层厚度的目的。
步骤(2)中的可拉伸导电油墨是通过如下方法制备的：将银纳米颗粒(参照下述文献进行合成制备：李伟伟，莫黎昕，付继兰等，晶型可控纳米银合成的简单方法及表征，稀有金属材料与工程，2013，42(8)：1734-1737；制得纳米银颗粒平均直径50nm)、银纳米线(参照下述文献进行合成制备：Hu,M.J.,J.F.Gao,et al.(2012)."Rapid controllable high-concentration synthesis and mutual attachment of silver nanowires."RscAdvances 2(5):2055-2060；制得银纳米线平均直径20nm，长度50μm)、偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物树脂(Dyneon，F2311，美国)、聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂(Intechem-14-3B，上海嬴正科技有限公司)、4-甲基-3-戊酮(北京化工厂)按照质量比4:1:1:0.2:3.8进行混合，利用高速分散机搅拌3小时，得到导电油墨。
需要说明的是，根据引用文献的制备方法，按照常规方式改变反应条件，能够得到不同粒径大小的银纳米颗粒，以及不同直径、长度的银纳米线。
实施例1：
(1)将市售PDMS单体与固化剂(Dow Corning，SYLGARD 184，美国)按照质量比10:1进行充分混合，利用奥斯派-100迈耶棒(OSP-100，石家庄奥斯派机械科技有限公司)在市售喷墨打印相纸(佳能，LU-101专业绒面相纸，日本)表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，再70℃固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸基底，厚度为100μm。利用同样方法，采用奥斯派-20迈耶棒(OSP-20，石家庄奥斯派机械科技有限公司)进行涂布，制得厚度为20μm的介电层。
(2)将银纳米颗粒(参照下述文献进行合成制备：李伟伟，莫黎昕，付继兰等，晶型可控纳米银合成的简单方法及表征，稀有金属材料与工程，2013，42(8)：1734-1737；制得纳米银颗粒平均直径50nm)、银纳米线(参照下述文献进行合成制备：Hu,M.J.,J.F.Gao,etal.(2012)."Rapid controllable high-concentration synthesis and mutualattachment of silver nanowires."Rsc Advances 2(5):2055-2060；制得银纳米线平均直径20nm，长度50μm)加入偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物树脂(Dyneon，F2311，美国)中进行充分混合，树脂溶剂为4-甲基-3-戊酮(北京化工厂)，体系的添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂(Intechem-14-3B，上海嬴正科技有限公司)。其中，银纳米颗粒、银纳米线、偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂、非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂、4-甲基-3-戊酮的质量比为4:1:1:0.2:3.8。充分混合的方法是：先将偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂与非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂按比例加入溶剂4-甲基-3-戊酮中充分溶解，利用滤纸过滤得到纯净溶液；再将银纳米颗粒与银纳米线按照比例加入上述溶液中预混合，利用机械搅拌在600rpm转速下搅拌2小时，得到初步稳定的可拉伸导电油墨预分散体系；最后将上述体系加入高速分散机(SDF-400，成都新都永通机械厂)中以3000rpm转速搅拌分散12小时，得到可拉伸导电油墨。
(3)根据印刷条件，设计印刷透明电极图案化栅格形状、大小、线条宽度。本实施例的图案化栅格选择正方形，边长为400μm，线条宽度80μm，高度20μm，采用丝网印刷方式实现。
(4)丝网印刷印版的制作。本实施例选择不锈钢网丝，加网线数为300LPI。利用半自动丝网印刷机在步骤(1)中制备的可拉伸PDMS基底表面进行图案化栅格的印刷，印刷压力为0.25MPa，刮板角度70°，印版与承印物PDMS的间距为6mm。印刷结束后，将PDMS置于80℃热台加热15分钟，使印刷导电栅格完全干燥并使纳米颗粒发生烧结，得到印刷透明电极。需要说明的是，在导电油墨的干燥过程中，由于油墨组分中非离子表面活性剂聚氧乙烯醚类氟碳的存在，使得银纳米颗粒和银纳米线会自发的向印刷图案化栅格的涂层表面聚集，从而有效的提高电极导电性。另一方面，由于导电油墨的组分中含有二维导电材料银纳米线，能够在电极的拉伸过程中起到连接银纳米颗粒的作用，从而保证电极优良的导电性。本实施例中的印刷透明电极平均表面电阻为35Ω/sq，透光率为80％。
(5)将两可拉伸透明电极、介电层按照“夹心三明治”的结构进行贴合封装(如图1所示)，其中可拉伸电极带有印刷图案化栅格的一侧面对面，介电层位于两电极之间。器件的封装与贴合是通过PDMS自身的亲和性与分子间作用力实现的，无需使用任何胶黏剂。
(6)使用银导电胶(Ablestik，Ablebond 84-1Limisr4)分别在两印刷透明电极上形成上、下导电极，并从导电极上引出铜导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
如图4所示，为本发明实施例1基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器电容变化率与压力关系图。从图4可知，当传感器所受压力小于200Pa时，其灵敏度为3.78KPa-1；当传感器所受压力为200～700Pa时，其灵敏度为1.04KPa-1。需要说明的是，灵敏度在数值上等于曲线斜率是本领域所的公知常识。
实施例2：
(1)将市售PDMS单体与固化剂(Dow Corning，SYLGARD 184，美国)按照质量比10:1进行充分混合，利用奥斯派-1.5迈耶棒(OSP-1.5，石家庄奥斯派机械科技有限公司)在市售喷墨打印相纸(佳能，LU-101专业绒面相纸，日本)表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，再70℃固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸基底和介电层，其中，可拉伸基底的厚度为1μm，介电层的厚度为1μm。
(2)将银纳米颗粒(参照下述文献进行合成制备：李伟伟，莫黎昕，付继兰等，晶型可控纳米银合成的简单方法及表征，稀有金属材料与工程，2013，42(8)：1734-1737；制得纳米银颗粒平均直径50nm)、银纳米线(参照下述文献进行合成制备：Hu,M.J.,J.F.Gao,etal.(2012)."Rapid controllable high-concentration synthesis and mutualattachment of silver nanowires."Rsc Advances 2(5):2055-2060；制得银纳米线平均直径20nm，长度50μm)加入偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物树脂(Dyneon，F2311，美国)中进行充分混合，树脂溶剂为4-甲基-3-戊酮(北京化工厂)，体系的添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂(Intechem-14-3B，上海嬴正科技有限公司)。其中，银纳米颗粒、银纳米线、偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂、非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂、4-甲基-3-戊酮的质量比为4:1:1:0.2:3.8。充分混合的方法是：先将偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂与非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂按比例加入溶剂4-甲基-3-戊酮中充分溶解，利用滤纸过滤得到纯净溶液；再将银纳米颗粒与银纳米线按照比例加入上述溶液中预混合，利用机械搅拌在600rpm转速下搅拌2小时，得到初步稳定的可拉伸导电油墨预分散体系；最后将上述体系加入高速分散机(SDF-400，成都新都永通机械厂)中以3000rpm转速搅拌分散12小时，得到可拉伸导电油墨。
(3)根据印刷条件，设计印刷透明电极图案化栅格形状、大小、线条宽度。本实施例的图案化栅格选择正方形，边长为400μm，线条宽度100μm，高度10μm，采用丝网印刷方式实现。
(4)丝网印刷印版的制作。本实施例选择不锈钢网丝，加网线数为300LPI。利用半自动丝网印刷机在步骤(1)中制备的聚酯可拉伸基底表面进行图案化栅格的印刷，印刷压力为0.35MPa，刮板角度70°，印版与承印物聚酯的间距为6mm。印刷结束后，将聚酯置于80℃热台加热15分钟，使印刷导电栅格完全干燥并使纳米颗粒发生烧结，得到印刷透明电极。需要说明的是，在导电油墨的干燥过程中，由于油墨组分中非离子表面活性剂聚氧乙烯醚类氟碳的存在，使得银纳米颗粒和银纳米线会自发的向印刷图案化栅格的涂层表面聚集，从而有效的提高电极导电性。另一方面，由于导电油墨的组分中含有二维导电材料银纳米线，能够在电极的拉伸过程中起到连接银纳米颗粒的作用，从而保证电极优良的导电性。本实施例中的印刷透明电极平均表面电阻为30Ω/sq，透光率为75％。
(5)将两可拉伸透明电极、介电层按照“夹心三明治”的结构进行贴合封装(如图1所示)，其中可拉伸电极带有印刷图案化栅格的一侧面对面，介电层位于两电极之间。器件的封装与贴合是通过PDMS自身的亲和性与分子间作用力实现的，无需使用任何胶黏剂。
(6)使用银导电胶(Ablestik，Ablebond 84-1Limisr4)分别在两印刷透明电极上形成上、下导电极，并从导电极上引出铜导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
实施例3：
(1)将市售PDMS单体与固化剂(Dow Corning，SYLGARD 184，美国)按照质量比10:1进行充分混合，利用奥斯派-50迈耶棒(OSP-50，石家庄奥斯派机械科技有限公司)在市售喷墨打印相纸(佳能，LU-101专业绒面相纸，日本)表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，再70℃固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸基底，厚度为50μm。利用同样方法，采用奥斯派-10迈耶棒(OSP-10，石家庄奥斯派机械科技有限公司)进行涂布，得到厚度为10μm的介电层。
(2)将银纳米颗粒(参照下述文献进行合成制备：李伟伟，莫黎昕，付继兰等，晶型可控纳米银合成的简单方法及表征，稀有金属材料与工程，2013，42(8)：1734-1737；制得纳米银颗粒平均直径50nm)、银纳米线(参照下述文献进行合成制备：Hu,M.J.,J.F.Gao,etal.(2012)."Rapid controllable high-concentration synthesis and mutualattachment of silver nanowires."Rsc Advances 2(5):2055-2060；制得银纳米线平均直径20nm，长度50μm)加入偏氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物树脂(Dyneon，F2311，美国)中进行充分混合，树脂溶剂为4-甲基-3-戊酮(北京化工厂)，体系的添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂(Intechem-14-3B，上海嬴正科技有限公司)。其中，银纳米颗粒、银纳米线、偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂、非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂、4-甲基-3-戊酮的质量比为4:1:1:0.2:3.8。充分混合的方法是：先将偏氟乙烯和三氟氯乙烯的共聚物树脂与非离子聚氧乙烯醚类氟碳表面活性剂按比例加入溶剂4-甲基-3-戊酮中充分溶解，利用滤纸过滤得到纯净溶液；再将银纳米颗粒与银纳米线按照比例加入上述溶液中预混合，利用机械搅拌在600rpm转速下搅拌2小时，得到初步稳定的可拉伸导电油墨预分散体系；最后将上述体系加入高速分散机(SDF-400，成都新都永通机械厂)中以3000rpm转速搅拌分散12小时，得到可拉伸导电油墨。
(3)根据印刷条件，设计印刷透明电极图案化栅格形状、大小、线条宽度。本实施例的图案化栅格选择正方形，边长为400μm，线条宽度50μm，高度5μm，采用丝网印刷方式实现。
(4)丝网印刷印版的制作。本实施例选择不锈钢网丝，加网线数为300LPI。利用半自动丝网印刷机在步骤(1)中制备的聚酯可拉伸基底表面进行图案化栅格的印刷，印刷压力为0.20MPa，刮板角度70°，印版与承印物聚酯的间距为6mm。印刷结束后，将聚酯置于80℃热台加热15分钟，使印刷导电栅格完全干燥并使纳米颗粒发生烧结，得到印刷透明电极。需要说明的是，在导电油墨的干燥过程中，由于油墨组分中非离子表面活性剂聚氧乙烯醚类氟碳的存在，使得银纳米颗粒和银纳米线会自发的向印刷图案化栅格的涂层表面聚集，从而有效的提高电极导电性。另一方面，由于导电油墨的组分中含有二维导电材料银纳米线，能够在电极的拉伸过程中起到连接银纳米颗粒的作用，从而保证电极优良的导电性。本实施例中的印刷透明电极平均表面电阻为50Ω/sq，透光率为83％。
(5)将两可拉伸透明电极、介电层按照“夹心三明治”的结构进行贴合封装(如图1所示)，其中可拉伸电极带有印刷图案化栅格的一侧面对面，介电层位于两电极之间。器件的封装与贴合是通过PDMS自身的亲和性与分子间作用力实现的，无需使用任何胶黏剂。
(6)使用银导电胶(Ablestik，Ablebond 84-1Limisr4)分别在两印刷透明电极上形成上、下导电极，并从导电极上引出铜导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
本发明克服重重困难，将印刷方式应用于透明可拉伸压力传感器的制备，成本低、效率高。为了满足压力传感器的可拉伸特性，对传感器结构、电极栅格图案、可拉伸导电油墨配方等进行了有针对性的设计和优化。
与现有技术相比，本发明的可拉伸压力传感器既具有可拉伸、透明化特点，又具有较高的灵敏度与稳定性。另一方面，该可拉伸透明电极是利用印刷方式制备的，无需任何复杂的微纳加工过程，成本低、效率高、能耗小，特别适合于大面积、大规模的生产，有利于传感器的应用推广。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明专利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器，其特征在于，包括上、下两个可拉伸基底，附着于可拉伸基底内表面的印刷透明电极，以及位于两个印刷透明电极之间的介电层；所述印刷透明电极为图案化栅格；所述图案化栅格的材质为可拉伸导电油墨组分，可拉伸导电油墨组分包括：导电材料、树脂连结料、添加剂以及溶剂，导电材料：树脂连结料：添加剂：溶剂为5:1:0.2:3.8；所述导电材料为一维金属材料与二维导电材料或一维金属材料与三维导电材料的混合物，其质量比为4:1；所述一维金属材料为颗粒形状或类颗粒形状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或所述银、铜、金、铝、铅、锌或锡的合金，其粒径范围为5nm～10μm；所述二维导电材料为线状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或线状的所述银、铜、金、铝、铅、锌或锡的合金，或碳纳米管，其直径范围为5nm～500nm，长度范围为1～50μm；所述三维导电材料为片状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或所述片状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡的合金，或石墨烯、石墨；所述树脂连结料为偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物；所述添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂；所述溶剂为4-甲基-3-戊酮。
2.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器，其特征在于，所述可拉伸基底的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～100μm；所述介电层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器，其特征在于，所述印刷透明电极的透光率为50～97％，方阻值为10～107Ω/sq。
4.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器，其特征在于，所述印刷透明电极为图案化栅格，所述图案化栅格形状为规则平面几何形状或不规则平面几何形状。
5.根据权利要求4所述的可拉伸压力传感器，其特征在于，所述规则平面几何形状或不规则几何形状的线条宽度范围为1～100μm，线条高度范围为0.1～20μm。
6.权利要求1-5中任一项所述基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)、制备两个可拉伸基底；
(2)、制备可拉伸导电油墨；
(3)、利用丝网印刷、喷墨印刷、柔版印刷、凹版印刷、微接触印刷、转移印刷、气流喷射或纳米压印，将步骤(2)中制备的可拉伸导电油墨印刷在步骤(1)中制备的可拉伸基底表面，形成图案化栅格，将印刷有图案化栅格的可拉伸基底置于80℃热台加热15分钟，得到透明可拉伸电极；
(4)、制备介电层；
(5)、将步骤(3)中制得的两透明可拉伸电极、步骤(4)中制得的介电层，按照“夹心三明治”结构进行贴合封装，其中透明可拉伸电极带有印刷图案化栅格的一侧面对面，介电层位于两电极之间；
(6)、使用导电胶分别在步骤(3)制得的两透明可拉伸电极上形成上导电极和下导电极，并从上导电极和下导电极上分别引出导线，用于性能测试，得到基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器。
7.根据权利要求6所述的基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述可拉伸基底和所述步骤(4)中介电层的制备方法如下：将二甲基硅氧烷单体与固化剂按照质量比10:1进行混合，利用迈耶棒在喷墨打印相纸表面进行涂布，然后置于真空烘箱中室温抽气5分钟去除涂层中气泡，再于70℃固化2小时，并从相纸表面揭下，得到可拉伸聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底和聚二甲基硅氧烷(PDMS)介电层。
8.根据权利要求7所述的基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的可拉伸导电油墨是通过如下方法制备的：将导电材料、树脂连结料、添加剂、溶剂，按照质量比5:1:0.2:3.8进行混合，利用高速分散机搅拌3小时，得到可拉伸导电油墨。
9.根据权利要求8所述的基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电材料为一维金属材料与二维导电材料或一维金属材料与三维导电材料的混合物，其质量比为4:1；所述一维金属材料为颗粒形状或类颗粒形状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或所述银、铜、金、铝、铅、锌或锡的合金，其粒径范围为5nm～10μm；所述二维导电材料为线状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或所述银、铜、金、铝、铅、锌或锡的合金，或碳纳米管，其直径范围为5nm～500nm，长度范围为1～50μm；所述三维导电材料为片状的银、铜、金、铝、铅、锌或锡，或上述金属的合金，或石墨烯、石墨；所述树脂连结料为偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物；所述添加剂为聚氧乙烯醚类氟碳非离子表面活性剂；所述溶剂为4-甲基-3-戊酮。
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