柔性温度-压力传感器阵列的激光直写制备

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激光直写技术(Laser direct Writing,LDW)是利用高能激光作为局部热源,对材料进行加热烧结、烧蚀去除、诱导反应等加工的技术。由于加工精度高、速度快、可控性强、材料适应性广等特点,激光直写技术逐渐成为一种备受关注的柔性传感器制备方法。虽然激光直写制备的温度、力学、气体、湿度等柔性传感器已应用于健康监测、智能家居等领域,但这些研究工作多集中于单一功能材料或者单一功能器件的制备,鲜有激光直接制备集成化柔性传感阵列的探索,未能充分发挥该技术制备材料种类丰富、适应性广、工艺流程简单的优势。本论文以柔性温度-压力传感器阵列为研究对象,开展了该器件全激光直写制备的研究。通过建立具有相变机制和随温度变化的动态参数的有限元模型,有效的模拟了激光加工材料时的温度场分布,进而预测了结构形貌;从微观结构的角度探究激光参数对电极性能的影响,明确了激光直写各功能层时的性能调控规律;通过激光直写制备银电极、碳传感层、微结构,构筑了柔性温度-压力传感器阵列。论文主要内容如下:(1)激光直写碳基材料及其性能研究。通过激光直写碳化聚酰亚胺(Polyimide,PI),制备了碳基温度传感层。其电阻率可以在0.084-560 Ω·m之间进行调控,电阻温度系数(Temperature coefficient of resistance,TCR)可达-0.62%/℃。建立了具有相变机制和动态参数的光热模型,对常用工艺参数范围内制备的碳电极的横向与纵向尺寸模拟误差小于5%。(2)激光直写银电极及其性能研究。通过激光直写制备了高导电性银电极,电阻率最低可至120μΩ·m,对温度、压力、弯曲均不敏感。并通过数值模拟与实验表征相结合,探究了激光制备银电极时组成成分和梯度形貌的调控规律。(3)全激光直写制备柔性温度-压力传感器阵列。使用银电极和碳传感层构建了测温结构,对温度的响应灵敏度可以达到-0.62%/℃;使用银电极和弹性微结构层构建了高灵敏度的压力传感器,在小于0.3 kPa的区间内灵敏度为-1.6 kPa-1,在0.3-3 kPa区间内的灵敏度为-0.31 kPa-1。
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