CN114530272A

CN114530272A - 一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN114530272A
Application number: CN202210073665.XA
Authority: CN
Inventors: 桂成群; 赵强; 周圣军; 薛龙建; 杨柏松
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: CN114530272B

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法。该方法包括以下步骤：1)混合聚二甲基硅氧烷(PDMS)和交联剂，制备透明柔性的PDMS基底；2)用氧气等离子体(Plasma)辐照PDMS基底；3)在基底上面旋涂银纳米线浆料，并使浆料干燥；4)在银纳米线浆料表面覆盖透光片，并施加一定的压力；5)飞秒激光穿过透光片，扫描PDMS基底上的银纳米线浆料；6)去除透光片，旋涂PDMS，封装银纳米线浆料。本发明提供的方法制备速度快，精度高，母材低损伤。所制备的传感器质地柔软，反应灵敏，具有透光和优异的应变感知性能。

Description

一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于电子器件应用研究领域，具体涉及一种激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着柔性传感器，可穿戴设备和电子皮肤等不断涌入人们的生活和工作，柔性电子器件迎来了快速的发展。作为电子器件重要组成部分的铟锡氧化物(ITO)，因为金属铟的稀缺，ITO制备过程中的高沉积温度和本身的脆性等原因，已经极大的阻碍了柔性电子器件的发展。近年来，寻找新的材料代替ITO是工业界和学术界的一个研究热点。

碳纳米管、石墨烯、导电聚合物和金属纳米线都是代替ITO的热门材料，但是碳纳米管在高纯度、低成本和大规模量产等方面，是巨大的挑战；石墨烯制备成本高，良率差，和柔性基底兼容性差；导电聚合物在高温、高湿度或者紫外光条件下，导电性差，耐老化性差；常用的金属纳米线(金纳米线、铜纳米线和银纳米线)，金纳米线价格昂贵；铜纳米线易氧化，在上述三种纳米线中，其在空气中的稳定性最差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法，所制备的传感器质地柔软，反应灵敏，具有透光特性和优异的应变感知特性。本发明采用银纳米线代替ITO，得益于银纳米线具有高导电率和导热率，还具有易于合成、质地柔软等优质特点；所采用的PDMS具有成本低廉，化学惰性高的特点，也具有良好拉伸性能和透光性能等特点；飞秒激光作为重要的先进加工技术之一，具有脉冲宽度短、峰值功率高、能量可控和母材低损伤等优点，在高性能金属纳米线网络制备方面，具有极大的加工制造优势。本发明将银纳米线、PDMS和Plasma辐照、飞秒激光两种加工工艺有效结合，协同作用以制备获得性能优异的柔性传感器。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明第一方面提供一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)混合PDMS和交联剂，制备透明柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底；

2)用氧气等离子体(Plasma)辐照PDMS基底；

3)在步骤2)的PDMS基底上面旋涂银纳米线浆料，并使浆料干燥；

4)在银纳米线浆料表面覆盖透光片，并施加一定的压力；

5)飞秒激光穿过透光片，扫描PDMS基底上的银纳米线浆料，使银纳米材料互连；

6)去除透光片，旋涂PDMS，封装互连后的银纳米线，防止银纳米材料发生氧化。

进一步，步骤1)中，PDMS和交联剂的重量比为5:1～15:1。

进一步，步骤2)中，Plasma的功率为40-100W，辐照时间为20～100s。

进一步，步骤3)中，银纳米浆料浓度为1～25mg/ml；旋涂Ag纳米线的速度为200～500rpm，旋涂时间为20～100s。

进一步，步骤4)中，施加的压力值为0.1～5N。

进一步，所述步骤5)中，透光片为表面平整的刚性透光片，选自普通玻璃、PVC(聚氯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。

进一步，所述步骤5)中，飞秒激光的扫描速度为40～640mm/s，光斑直径为5～30um，脉冲宽度为100～600fs，激光的脉冲频率为10～100kHz，激光的功率为20～250mW，激光的波长为248～1064nm。

更进一步，所述步骤5)中，光斑直径为10～50um，激光的功率为50～250mW。

进一步，所述步骤5)中，银纳米线直径为20～200nm，长度为10～50μm。

进一步，所述步骤6)中，旋涂PDMS的速度为200～500rpm，旋涂时间为10～70s。

本发明第二方面提供第一方面方法所制备的激光制备图案化透明导电薄膜。

本发明的有益效果为：

1.通过使用了Plasma辐照，能够高效、牢固地将银纳米线附着于基底上；并结合飞秒激光的工艺方法，能够有效诱导连接银纳米线材料，速度快，精度高，母材低损伤。

2.本发明将银纳米线、PDMS和Plasma辐照、飞秒激光两种加工工艺有效结合，协同作用以制备获得性能优异的柔性传感器。

3.制备的柔性传感器具有优异的应变感知特性和良好的透光特性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器的制备流程图；

图2为本发明实施例一中制备的PDMS薄膜实物图；

图3为本发明实施例一中制备的柔性传感器实物图；

图4为本发明实施例二中制备的柔性传感器和其检测指关节运动的电信号变化图；

图5为本发明实施例二中制备的柔性传感器和其检测肘关节运动的电信号变化图；

以上各图中标号含义为：

101-PDMS，102-固化剂，103-纸杯，104-反应塔，105-气泡，106-PDMS混合液，107-硅片，108-旋涂机，109-真空烘箱，110-氧气Plasma设备，111-银纳米线浆料，112-透光片，113-干燥的银纳米线，114-研磨装置，115-扫描激光器的激光头，116-透光片，117-图案化透明导电薄膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的一种飞秒激光制备适用于检测人体运动柔性传感器的具体实施方案进行详细地说明。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法具体包括以下步骤：

S1-1.用吸管将6mg的PDMS101和0.6mg的固化剂102移入50ml的纸杯103中，充分搅拌，使101和102混合均匀；

S1-2.将纸杯103连同混合均匀的101和102，置于反应塔104中，抽真空除去混合溶液中的气泡；

S1-3.将无气泡的PDMS混合液106滴至干净的硅片107上，然后将硅片放到旋涂机108上开始旋转，设定旋转速度为450rpm，旋涂时间为60s；

S1-4.旋涂结束后，将涂覆PDMS混合液106的硅片107放到真空烘箱109中烘烤，使PDMS混合液106完全固化为PDMS薄膜(具体形貌如图2所示)。烘烤中设定烘烤温度为90℃，烘烤时间为2h；

S2.烘烤结束后，将涂覆PDMS薄膜的硅片107放到氧气Plasma设备110中进行等离子体轰击，设定轰击功率为80W，轰击时间为100s；

S3.将10mg/ml的银纳米线浆料111滴至轰击后的PDMS薄膜上，然后将再其放置于旋涂机进行旋涂；设定旋转速度为400rpm，旋涂时间为20s；

S4.银纳米浆料干燥后，将透光片112置于干燥的银纳米线113之上，然后施加5N的压力，保持5min；

S5.飞秒激光器114发射飞秒激光穿过透光片112，扫描所有的干燥银纳米线113，使所有银纳米线互连；扫描过程中，设定飞秒激光的波长为1030nm，激光的功率为25mW，扫描速度为160mm/s，光斑直径为10um，激光的脉冲频率为20.3k，脉冲宽度为270fs；

S6.激光扫描结束后，用PDMS混合液106覆盖所有互连的银纳米线进行封装，防止银纳米材料发生氧化。设定旋转速度为450rpm，旋涂时间为20s。

图3为本实施例制备的柔性传感器实物图，从图中可以看出，纳米银线规整、均一地分布在基底上。

实施例二

S1-1.用吸管将6mg的PDMS101和0.4mg的固化剂102移入50ml的纸杯103中，充分搅拌，使101和102混合均匀；

S1-3.将无气泡的PDMS混合液106滴至干净的硅片107上，然后将硅片放到旋涂机108上开始旋转，设定旋转速度为500rpm，旋涂时间为60s；

S1-4.旋涂结束后，将涂覆PDMS混合液106的硅片107放到真空烘箱109中烘烤，使PDMS混合液106完全固化为PDMS薄膜。烘烤中设定烘烤温度为90℃，烘烤时间为2h；

S2.烘烤结束后，将涂覆PDMS薄膜的硅片107放到氧气Plasma设备110中进行等离子体轰击，设定轰击功率为100W，轰击时间为60s；

S3.将20mg/ml的银纳米线浆料111滴至轰击后的PDMS薄膜上，然后将再其放置于旋涂机进行旋涂；设定旋转速度为400rpm，旋涂时间为20s；

S6.激光扫描结束后，用PDMS混合液106覆盖所有互连的银纳米线进行封装，防止银纳米材料发生氧化。设定旋涂速度为为500rpm，旋涂时间为20s。

图4为本实施例所制备的柔性传感器和其检测指关节运动的电信号变化图，从图中可以看出当指关节弯曲40°时，柔性传感器的电信号立即发生变化，且变化剧烈，电阻变化率△R/R₀峰值约为12.7％；当指关节弯曲10°时，柔性传感器的电信号也立即发生变化，电阻变化率△R/R₀峰值约为3.2％。(R₀为柔性传感器的初始电阻，△R为变化后的电阻与初始电阻R₀之差)由图4可知，柔性传感器可监测手指细微变化和较大变化，且都具有灵敏反应。

图5为本实施例所制备的柔性传感器和其检测肘关节运动的电信号变化图，从图中可以看出当肘关节弯曲时，电阻变化率立刻上升；当肘关节舒展时，电阻率立刻下降。由于肘关节运动幅度大于指关节运动幅度，其电阻变化率也较大，平均峰值约为30.9％。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims

1.一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)混合PDMS和交联剂，制备透明柔性的PDMS基底；

2)用氧气等离子体辐照PDMS基底；

3)在步骤2)的PDMS基底上旋涂银纳米线浆料，并使浆料干燥；

4)在银纳米线浆料表面覆盖透光片，并施加一定的压力；

5)飞秒激光穿过透光片，扫描PDMS基底上的银纳米线浆料，使银纳米线互连；

6)去除透光片，旋涂PDMS，封装互连后的银纳米线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，PDMS和交联剂的重量比为5:1～15:1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，氧气等离子体辐照的功率为40-100W，辐照时间为20～100s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，银纳米浆料浓度为1～25mg/ml；旋涂银纳米线的速度为200～500rpm，旋涂时间为20～100s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，施加的压力值为0.1～5N。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，透光片为表面平整的刚性透光片，选自普通玻璃、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，飞秒激光的扫描速度为40～640mm/s，光斑直径为5～30um，脉冲宽度为100～600fs，激光的脉冲频率为10～100kHz，激光的功率为20～250mW，激光的波长为248～1064nm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，银纳米线直径为20～200nm，长度为10～50μm。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中，旋涂PDMS的速度为200～500rpm，旋涂时间为10～70s。

10.一种激光制备图案化透明导电薄膜，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。