CN109941954A - 一种柔性温度传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性温度传感器及制备方法，其中，柔性温度传感器包括柔性衬底、柔性封装膜及温敏金属银电极；制备方法包括制备柔性衬底、制备温敏金属银电极及制备柔性温度传感器；本发明采用将柔性温敏金属银电极制备于柔性衬底上，柔性封装膜制备于柔性衬底层上且覆盖柔性温敏金属银电极制备出柔性温度传感器。本发明具有结构简单，制备工艺简单，制作成本低廉，易于工业化批量生产及易于满足快速发展的柔性可穿戴材料市场的需求。
Description
技术领域
本发明设计传感器技术领域，适用于对温度敏感的柔性可穿戴材料，尤其是一种柔性温度传感器及制备方法。
背景技术
温度传感器是现代社会生活中应用最广泛的传感器之一，以氧化铝、硅等刚性材料为基底的温度传感器制作技术已经非常成熟，但是随着人们将电子技术与柔性可穿戴材料的结合，现有技术的刚性衬底的温度传感器已经不能满足可穿戴领域对柔性电子器件的需求。因此发展具有柔性基底的温度传感器是当今电子科技发展面临的巨大挑战之一。
电阻型温度传感器具有体积小、精度高、响应时间短、测温能力敏锐的优点。电阻丝的制备材料及制备方法是实现不同电阻型温度传感器的关键，近年来，科学家们通过采用磁控溅射、微机电系统（MEMS）、物理气相沉积(PVD)等技术在柔性衬底上沉积金属薄膜，制作出柔性电阻型温度传感器。存在的问题是，上述操作工艺比较复杂，制备成本较高，不利于大规模生产，无法满足快速发展的柔性可穿戴材料市场的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种柔性温度传感器及制备方法，本发明采用将柔性温敏金属银电极制备于柔性衬底上，柔性封装膜制备于柔性衬底层上且覆盖柔性温敏金属银电极制备出柔性温度传感器。本发明具有结构简单，制备工艺简单，制作成本低廉，易于工业化批量生产及易于满足快速发展的柔性可穿戴材料市场的需求。
实现本发明目的的具体技术方案是：
1、一种柔性温度传感器，其特点包括柔性衬底、柔性封装膜及温敏金属银电极；
所述柔性温敏金属银电极制备于柔性衬底上，柔性封装膜制备于柔性衬底层上且覆盖柔性温敏金属银电极。
一种柔性温度传感器的制备方法，其特点包括如下步骤：
步骤1、制备柔性衬底
选用聚酰亚胺薄膜，将聚酰亚胺薄膜依次置于丙酮、乙醇及去离子水中进行超声清洗，时间为10 ~ 30 min，得到柔性衬底1；
步骤2、制备温敏金属银电极
2.1、将柔性衬底1置于氢氧化钾溶液中，浓度为3 ~ 5 M，时间2 ~ 4 h；
取出后，用去离子水清洗干净，然后将其置于银氨溶液中，浓度为0.02 M，时间10 ~ 30min；取出后，再用去离子水清洗干净，烘干，得到银离子衬底；
2.2、采用激光喷墨打印机在银离子衬底上打印设计有银电极图形的碳掩膜版，得到掩膜版衬底；
2.3、将掩膜版衬底置于过氧化氢稀溶液将银离子还原，浓度为0.02 ~ 0.05 M，时间为3 ~ 10 min；使银电极图形在衬底上沉积，得到银电极图形衬底；
2.4、将银电极图形衬底置于丙酮中超声清洗，除去碳掩膜版，然后再置于去离子水中超声清洗，时间为5 ~10 min；自然风干，得到温敏金属银电极3的衬底；
步骤3、制备柔性温度传感器
3.1、将聚二甲基硅氧烷与硅橡胶按照10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂覆盖在温敏金属银电极的衬底表面上，构成柔性封装膜；
3.2、完成柔性封装膜2后，将其置于真空干燥箱中加热干燥，时间为1 ~ 2 h，温度为60~ 80 ℃，获得封装后的柔性温度传感器。
本发明柔性温度传感器为满足ptc效应即正温度系数效应的柔性材料，工作时，本发明的温敏金属银电极的电阻值会随温度的升高而增加，通过监测本发明柔性温度传感器的电阻值的变化即可监测环境温度的变化，反之，环境温度的变化通过本发明柔性温度传感器电阻值的变化即可测得。
本发明是通过结合高分子聚合物表面金属化技术与喷墨打印图形化掩膜版技术，便于图形化金属电极的批量生产。
本发明所制得的图形化的温敏金属银电极衬底，由于银层是由银氨根离子从聚酰亚胺内部向表面迁移还原聚集后形成的，因此界面粘结性十分优异。
本发明所制得的图形化的温敏金属银电极衬底，表面银层致密均匀、金属光泽非常好，无需进一步的电镀或化学镀，可满足对温度敏感的柔性可穿戴材料的应用要求。
本发明采用将柔性温敏金属银电极制备于柔性衬底上，柔性封装膜制备于柔性衬底层上且覆盖柔性温敏金属银电极制备出柔性温度传感器。本发明具有结构简单，制备工艺简单，制作成本低廉，易于工业化批量生产及易于满足快速发展的柔性可穿戴材料市场的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的实物照片；
图3为本发明的温度响应曲线图；
图4为本发明的迟滞曲线图；
图5为本发明的响应时间图；
图6为本发明的校准曲线图。
具体实施方式
参阅图1，本发明包括柔性衬底1、柔性封装膜2及温敏金属银电极3；
所述柔性温敏金属银电极3制备于柔性衬底1上，柔性封装膜2制备于柔性衬底层1上且覆盖柔性温敏金属银电极3。
参阅图1、本发明的制备方法包括如下步骤：
步骤1、制备柔性衬底
选用聚酰亚胺薄膜，将聚酰亚胺薄膜依次置于丙酮、乙醇及去离子水中进行超声清洗，时间为10 ~ 30 min，得到柔性衬底1；
步骤2、制备温敏金属银电极
2.1、将柔性衬底1置于氢氧化钾溶液中，浓度为3 ~ 5 M，时间2 ~ 4 h；
取出后，用去离子水清洗干净，然后将其置于银氨溶液中，浓度为0.02 M，时间10 ~ 30min；取出后，再用去离子水清洗干净，烘干，得到银离子衬底；
2.2、采用激光喷墨打印机在银离子衬底上打印设计有银电极图形的碳掩膜版，得到掩膜版衬底；
2.3、将掩膜版衬底置于过氧化氢稀溶液将银离子还原，浓度为0.02 ~ 0.05 M，时间为3 ~ 10 min；使银电极图形在衬底上沉积，得到银电极图形衬底；
2.4、将银电极图形衬底置于丙酮中超声清洗，除去碳掩膜版，然后再置于去离子水中超声清洗，时间为5 ~10 min；自然风干，得到沉积有温敏金属银电极3的衬底；
步骤3、制备柔性温度传感器
3.1、将聚二甲基硅氧烷与硅橡胶按照10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂覆盖在温敏金属银电极3的衬底表面上，构成柔性封装膜2；
3.2、完成柔性封装膜2后，将其置于真空干燥箱中加热干燥，时间为1 ~ 2 h，温度为60~ 80 ℃，获得封装后的柔性温度传感器。
对本发明附图的进一步说明
参阅图2为本发明的实物照片，即温敏金属银电极呈蛇形结构实例，可见银电极的金属光泽及致密均一性。
参阅图3为本发明的温度响应曲线图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为温度℃。初始电阻为20℃测试条件下的电阻，本发明在-25℃~150℃测试温度范围内呈现出温敏金属银电极效应，且在-20℃~ 100℃范围内表现出良好的线性关系，线性度为0.20%，灵敏度为0.39% ℃，相关因子达到0.9998。
参阅图4为本发明的迟滞曲线图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为温度℃。本发明在-20℃~ 100℃测试条件下，具有较小的温漂，温滞为0.11。
参阅图5为本发明的响应时间图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为时间S。本发明在50℃和75℃测试条件下，响应时间均在10s内，表示本发明具有较快的响应速度。
参阅图6为本发明经标准Pt100热电阻校准的曲线图，纵坐标为(测试电阻－初始电阻)´100%，横坐标为温度℃。可根据图中的拟合曲线推算测试温度。
实施例1
参阅图1、本发明的制备方法包括如下步骤：
步骤1、制备柔性衬底
选用聚酰亚胺薄膜，将聚酰亚胺薄膜依次置于丙酮、乙醇及去离子水中进行超声清洗，时间为10 min，得到柔性衬底1；
步骤2、制备温敏金属银电极
2.1、将柔性衬底1置于氢氧化钾溶液中，浓度为3M，时间4 h；
取出后，用去离子水清洗干净，然后将其置于银氨溶液中，浓度为0.02 M，时间10min；取出后，再用去离子水清洗干净，烘干，得到银离子衬底；
2.2、采用激光喷墨打印机在银离子衬底上打印设计有银电极图形的碳掩膜版，得到掩膜版衬底；
2.3、将掩膜版衬底置于过氧化氢稀溶液将银离子还原，浓度为0.02 M，时间为10 min；使银电极图形的银离子被还原沉积在衬底上，得到银电极图形衬底；
2.4、将银电极图形衬底置于丙酮中超声清洗，除去碳掩膜版，然后再置于去离子水中超声清洗，时间为5 min，自然风干，得到温敏金属银电极3的衬底；
步骤3、制备柔性温度传感器
3.1、将聚二甲基硅氧烷与硅橡胶按照10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂覆盖在温敏金属银电极3的衬底表面上，构成柔性封装膜2；
3.2、完成柔性封装膜2后，将其置于真空干燥箱中加热干燥，时间为 2 h，温度为 80℃，获得封装后的柔性温度传感器。
对本发明说明书附图的进一步说明
参阅图2为本发明的实物照片，即温敏金属银电极呈蛇形结构实例，可见银电极的金属光泽及致密均一性。
参阅图3为本发明的温度响应曲线图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为温度℃。初始电阻为20℃测试条件下的电阻，本发明在-25℃~150℃测试温度范围内呈现出温敏金属银电极效应，且在-20℃~ 100℃范围内表现出良好的线性关系，线性度为0.20%，灵敏度为0.39% ℃，相关因子达到0.9998。
参阅图4为本发明的迟滞曲线图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为温度℃。本发明在-20℃~ 100℃测试条件下，具有较小的温漂，温滞为0.11。
参阅图5为本发明的响应时间图，纵坐标为[(测试电阻－初始电阻)/初始电阻]´100%，横坐标为时间S。本发明在50℃和75℃测试条件下，响应时间均在10s内，表示本发明具有较快的响应速度。
参阅图6为本发明经标准Pt100热电阻校准的曲线图，纵坐标为(测试电阻－初始电阻)´100%，横坐标为温度℃。可根据图中的拟合曲线推算测试温度。
Claims (2)
1.一种柔性温度传感器，其特征在于：它包括柔性衬底(1)、柔性封装膜(2) 及温敏金属银电极(3)；
所述柔性温敏金属银电极(3)制备于柔性衬底(1)上，柔性封装膜(2)制备于柔性衬底层(1)上且覆盖柔性温敏金属银电极(3)。
2.一种实施权利要求1柔性温度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、制备柔性衬底
选用聚酰亚胺薄膜，将聚酰亚胺薄膜置于依次丙酮、乙醇及去离子水中进行超声清洗，时间为10 ~ 30 min，得到柔性衬底（1）；
步骤2、制备温敏金属银电极
2.1、将柔性衬底（1）置于氢氧化钾溶液中，浓度为3 ~ 5 M，时间2 ~ 4 h；
取出后，用去离子水清洗干净，然后将其置于银氨溶液中，浓度为0.02 M，时间10 ~ 30min；取出后，再用去离子水清洗干净，烘干，得到银离子衬底；
2.2、采用激光喷墨打印机在银离子衬底上打印设计有银电极图形的碳掩膜版，得到掩膜版衬底；
2.3、将掩膜版衬底置于过氧化氢稀溶液将银离子还原，浓度为0.02 ~ 0.05 M，时间为3 ~ 10 min；使银电极图形在衬底上沉积，得到银电极图形衬底；
2.4、将银电极图形衬底置于丙酮中超声清洗，除去碳掩膜版，然后再置于去离子水中超声清洗，时间为5 ~10 min；自然风干，得到温敏金属银电极（3）的衬底；
步骤3、制备柔性温度传感器
3.1、将聚二甲基硅氧烷与硅橡胶按照10:1的质量比混合，搅拌均匀，旋涂覆盖在温敏金属银电极（3）的衬底表面上，构成柔性封装膜（2）；
3.2、完成柔性封装膜（2）后，将其置于真空干燥箱中加热干燥，时间为1 ~ 2 h，温度为60 ~ 80 ℃，获得封装后的柔性温度传感器。
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2019
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