CN108538864A - 一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法，使用喷墨打印技术印刷电路，制造集成无线能量收集、存储和传感单元的全印刷可穿戴系统。在柔性聚合物基材上打印集成NFC天线，肖特基二极管，超级电容器和传感器。采用银纳米粒子油墨打印制造NFC天线和导线，并将NFC天线作为无线能量接收部件。采用铂纳米粒子油墨和铝纳米粒子油墨在氧化锌薄膜上打印制造肖特基二极管。采用单壁碳纳米管和二氧化锰组成的混合油墨打印制造超级电容器，并作为储能部件。采用聚乙烯醇/磷酸固体凝胶作为电解质。并按需求进行电路连接，进而构成柔性可穿戴式系统。
Description
技术领域
本发明涉及喷墨打印领域，尤其涉及一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法。
背景技术
由于传统光刻工艺制造电路板的弯曲与拉伸性能较差、难以在柔性聚合物基材上实现复杂电路结构的直接制造，已经无法满足柔性可穿戴式传感器集成电路的制造要求。喷墨印刷技术是一种高效、低成本的高精度液体油墨沉积技术，可应用于微纳元器件电路的印刷制造，其所具有的低温特性使其可以在各种类型的基底上制造电子元器件，并且能克服传统光刻工艺所产生的污染与材料损耗，实现节能减排与绿色无污染制造，在可穿戴式设备的电路印刷方面具有巨大的潜力。
可穿式戴人体健康监测传感器是一种可直接穿戴或配合人体皮肤来密切监测人体活动的装置，可应用于人体健康监测、病理诊断和精准医疗等领域。然而受限于现有技术在制造柔性及可伸缩性储能器件方面的不足，由各类元器件产生的能耗问题给可穿戴柔性健康监测系统的发展带来了巨大挑战。因此，开发一种集成能量收集、存储和传感单元的无电池、可穿戴式系统，实现柔性可穿戴式传感器的无电池化和持久续航，对于可穿戴式人体健康监测传感器的发展具有重大意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有电路制造技术在柔性可穿戴式电子元器件制造方面的不足，以及在制造柔性、可伸缩性储能器件方面的问题，提出一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：该系统采用喷墨打印技术印刷电路构成，具体包括在柔性聚合物基材上打印集成的NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器，且该系统外部还设置有封装层；
所述NFC天线用于接收无线能量；
所述肖特基二极管用于对能量进行全波整流；
所述超级电容用于储存能量；
所述传感器根据使用目的进行选择。
进一步地，所述封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜，由混合基态凝胶和固化剂以15:1的重量比制备。
进一步地，所述肖特基二极管设置有4个，形成桥式全波整流电路。
进一步地，所述NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器均通过喷墨打印银纳米粒子油墨制造的导线连接。
进一步地，所述NFC天线采用银(Ag)纳米粒子在氧化锌薄膜上打印制造；所述肖特基二极管采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌薄膜上打印制造；所述造超级电容采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造。
更进一步地所述肖特基二级管中ZnO薄膜与Al电极之间采用欧姆接触，该接触方案不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化。Pt电极和ZnO薄膜之间采用肖特基接触，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。
本发明还设计了一种如上所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制备方法，其特征在于：
采用银(Ag)纳米粒子在氧化锌薄膜在氧化锌(ZnO)薄膜上打印制造NFC天线，并将打印完成后的NFC天线在150℃的温度下烘烤10分钟，使其导电率恢复至基态水平；
采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌(ZnO)薄膜上打印制造肖特基二极管，并将打印完成后的肖特基二极管置于150℃的温度下退火10分钟以提高导电性能。ZnO薄膜与Al电极之间采用欧姆接触，该接触方案不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化；
单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造超级电容，非晶态的二氧化锰纳米粒子可以自由沉积在单壁碳纳米管，表面使用的单壁碳纳米管材料不仅可增强超级电容器的机械性能，而且可作为一种电子输运路径，以确保超级电容器优异的电化学性能；
打印传感器，并将NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器通过打印电路连接；
对打印完成NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器进行封装。
进一步地，采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造超级电容，打印前需在该混合油墨中滴加0.1g/mL KMnO4溶液或0.1M H2SO4水溶液和少量二甲基甲酰胺(DMF)，采用叉指形状作为超级电容器的电极打印形状，且打印完成后需在150℃的温度下烘烤30分钟以蒸发残留的DMF，采用PVA/H3PO4固体凝胶作为超级电容器的电解质。
更进一步地，所述封装采用混合基态凝胶和固化剂以15:1的重量比制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，作为所述柔性可穿戴式系统的封装材料。
再进一步地，所述固化剂为硅酮树脂。
本发明通过使用喷墨打印技术印刷电路，在柔性聚合物基材上打印集成NFC天线，肖特基二极管，超级电容器和传感器，实现无线能量收集、存储和传感单元的高度集成化和全打印式制造。并克服了传统光刻工艺所产生的污染与材料损耗，实现节能减排与绿色无污染制造。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统制造方法的技术路线图；
图2为本发明实施例提供的NFC天线喷墨打印方案图；
图3为本发明实施例提供的肖特基二极管喷墨打印方案图；
图4为本发明实施例提供的超级电容器喷墨打印方案图；
图5为本发明实施例提供的柔性可穿戴式系统全波整流电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
图中所示的一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，该系统采用喷墨打印技术印刷电路构成，具体包括在柔性聚合物基材上打印集成的NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器，且该系统外部还设置有封装层；
所述NFC天线用于接收无线能量；
所述肖特基二极管用于对能量进行全波整流；
所述超级电容用于储存能量；
所述传感器根据使用目的进行选择。
其中，NFC天线采用银(Ag)纳米粒子在氧化锌薄膜上打印制造；所述肖特基二极管采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌薄膜上打印制造；所述造超级电容采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造。肖特基二级管中(ZnO)薄膜与(Al)电极之间采用欧姆接触，Pt电极和ZnO薄膜之间采用肖特基接触。
优选地，封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜，由混合基态凝胶和固化剂以15:1的重量比制备，该固化剂为硅酮树脂。
优选地，肖特基二极管设置有4个，形成全波整流器。
优选地，NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器均通过喷墨打印银纳米粒子油墨制造的导线连接。
本发明还设计了一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制造方法，使用喷墨打印技术印刷电路，制造集成无线能量收集、存储和传感单元的全印刷可穿戴系统。在柔性聚合物基材上打印集成NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器。
采用银(Ag)纳米粒子油墨打印制造NFC天线和导线，并将NFC天线作为无线能量接收部件。采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌(ZnO)薄膜上打印制造肖特基二极管。采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造超级电容器，并作为储能部件。采用聚乙烯醇(PVA)/磷酸(H3PO4)固体凝胶作为电解质。进而构成所述柔性可穿戴式系统。
优选地，NFC天线的工作频率为13.56MHz。使用Ag纳米粒子油墨打印制造后，需在150℃的温度下烘烤10分钟，使其导电率恢复至基态水平。使用近场通讯技术，对能量收集装置，即对NFC天线进行无线充电。并将能量存储在超级电容器中，驱动整个柔性可穿戴式系统正常工作。
如图2所示，NFC天线整体形状为并列的两个由内向外呈发散状的矩形框。
优选地，本实施例中，超级电容器类型为法拉第电容器。通过在电极材料SWNT/MnO2表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生法拉第准电容，从而实现对能量的存储与转换。
由于肖特基二极管中n型ZnO半导体薄膜和金属Al的逸出功约为4.2eV，金属Pt的逸出功约为5.7eV。该方法中，ZnO薄膜制造完成后需在150℃的温度下退火10分钟以提高导电性能。ZnO薄膜与Al电极之间采用欧姆接触，该接触方案不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化。Pt电极和ZnO薄膜之间采用肖特基接触，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。因此整个Al/ZnO/Pt结构具有整流特性。共需打印4个肖特基二极管，并将其连接成为全波整流电路。
如图4所示，本实施例中，超级电容器由SWNT/MnO2混合油墨打印制造。非晶态的二氧化锰纳米粒子可以自由沉积在单壁碳纳米管，表面使用的单壁碳纳米管材料SWNT，不仅可增强超级电容器的机械性能，而且可作为一种电子输运路径，以确保超级电容器优异的电化学性能。打印前需在SWNT/MnO2混合油墨中滴加0.1g/mL KMnO4溶液或0.1M H2SO4水溶液和少量二甲基甲酰胺(DMF)，用于调整混合油墨的表面张力。采用叉指形状作为超级电容器的电极打印形状，以提高超级电容器的电容量。打印完成后需在150℃的温度下烘烤30分钟以蒸发残留的DMF。采用PVA/H3PO4固体凝胶作为超级电容器的电解质，降低对其他元器件的污染和腐蚀。
优选地，本实施例中，使用混合基态凝胶和固化剂(硅酮树脂)以15:1的重量比制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，作为所述柔性可穿戴式系统的封装材料，并为传感元件提供机械支撑。
优选地，本实施例中，所有元器件通过喷墨打印银纳米粒子油墨制造的导线连接。
本发明中，传感单元可根据实际需求进行设计并使用喷墨打印技术制造。如压阻式、电容式和压电式等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：该系统采用喷墨打印技术印刷电路构成，具体包括在柔性聚合物基材上打印集成的NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器，且该系统外部还设置有封装层；
所述NFC天线用于接收无线能量；
所述肖特基二极管用于对能量进行全波整流；
所述超级电容用于储存能量；
所述传感器根据使用目的进行选择。
2.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：所述封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜，由混合基态凝胶和固化剂以15:1的重量比制备。
3.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：所述肖特基二极管设置有4个，形成全波整流器。
4.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：所述NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器均通过喷墨打印银纳米粒子油墨制造的导线连接。
5.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：所述NFC天线采用银(Ag)纳米粒子在氧化锌薄膜上打印制造；所述肖特基二极管采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌薄膜上打印制造；所述造超级电容采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造。
6.根据权利要求5所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统，其特征在于：所述肖特基二级管中(ZnO)薄膜与(Al)电极之间采用欧姆接触，Pt电极和ZnO薄膜之间采用肖特基接触。
7.一种如权利要求1所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制备方法，其特征在于：
采用银(Ag)纳米粒子在氧化锌薄膜在氧化锌(ZnO)薄膜上打印制造NFC天线，并将打印完成后的NFC天线在150℃的温度下烘烤10分钟；
采用铂(Pt)纳米粒子油墨和铝(Al)纳米粒子油墨在氧化锌(ZnO)薄膜上打印制造肖特基二极管，并将打印完成后的肖特基二极管置于150℃的温度下退火10分钟；
采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造超级电容；
打印传感器，并将NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器通过打印电路连接；
对打印完成NFC天线、肖特基二极管、超级电容器和传感器进行封装。
8.根据权利要求7所述所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制备方法，其特征在于：采用单壁碳纳米管(SWNT)和二氧化锰(MnO2)组成的混合油墨打印制造超级电容，打印前需在该混合油墨中滴加0.1g/mLKMnO4溶液或0.1M H2SO4水溶液和少量二甲基甲酰胺(DMF)，采用叉指形状作为超级电容器的电极打印形状，且打印完成后需在150℃的温度下烘烤30分钟以蒸发残留的DMF，采用PVA/H3PO4固体凝胶作为超级电容器的电解质。
9.根据权利要求8所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制备方法，其特征在于：所述封装采用混合基态凝胶和固化剂以15:1的重量比制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，作为所述柔性可穿戴式系统的封装材料。
10.根据权利要求9所述的基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统的制备方法，其特征在于：所述固化剂为硅酮树脂。
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|---|---|---|---|
| CN201810539525.0A CN108538864A (zh) | 2018-05-30 | 2018-05-30 | 一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810539525.0A CN108538864A (zh) | 2018-05-30 | 2018-05-30 | 一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108538864A true CN108538864A (zh) | 2018-09-14 |
Family
ID=63473193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201810539525.0A Pending CN108538864A (zh) | 2018-05-30 | 2018-05-30 | 一种基于喷墨打印技术的柔性可穿戴式系统及其制造方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN108538864A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110085445A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-08-02 | 南京邮电大学 | 一种柔性超级电容器及其制备方法 |
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| CN113302625A (zh) * | 2018-12-19 | 2021-08-24 | 成均馆大学校产学协力团 | 用于防伪的nfc qr代码标签及nfc qr代码标签的制造方法 |
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| CN106548875A (zh) * | 2016-11-03 | 2017-03-29 | 东华大学 | 一种全固态柔性透明超级电容器及其制备和应用 |
-
2018
- 2018-05-30 CN CN201810539525.0A patent/CN108538864A/zh active Pending
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