基于电场驱动喷射微纳3D打印高性能纸基电子制造技术研究

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纸基电子作为柔性电子领域中的新兴产品,其基材具有绿色环保、可生物降解、成本低等优势,并在生物传感器、微型电容器、纸基标签天线等诸多领域广泛应用。然而,纸质基材不同于现有的硬质基材(硅片、玻璃等)和柔性基材(PET、PC等),具有多孔结构、不耐高温、不防水等特点,现有的光刻、喷墨打印、丝网印刷等技术在纸质基材表面实现高性能(高分辨率、大高宽比等)导电电路面临着很大的挑战。针对这一难题,本文提出了一种基于电场驱动喷射微纳3D打印新工艺,并结合高粘度低温烧结纳米银浆实现高性能纸基电子的制备。主要从理论分析、工艺参数优化实验研究、不同纸基银导线结构与电学性能研究以及典型案例研究对提出的新工艺进行了系统的理论分析与实验研究,主要研究的工作与创新之处有以下几点:(1)基于电场驱动喷射微纳3D打印工艺并结合高粘度低温烧结纳米银浆提出一种制造高分辨率、大高宽比纸基电路新方法,结合现有的理论基础,对该工艺制备纸基电路的基本方法和工艺流程进行详细的阐述与分析,并对打印工艺原理和高粘度低温烧结纳米银浆的制备两个关键技术进行系统的概述。(2)根据相关理论分析,主要从具体工艺参数对打印结果的影响及规律以及烧结工艺参数对导电电路电学性能的影响及规律进行系统的实验与研究,并优化出对应最合适的工艺窗口。实验结果表明:纸基表面结构、打印电压、打印气压、打印速度和打印高度是影响银线形貌与性能的主要因素,打印材料的烧结温度和烧结时间是影响导电电路电学性能的重要因素。结果表明:(1)打印电压过低或过高都会导致打印银线形貌变差,RC相纸适合打印电压500~800V,铜版纸适合打印电压800~1400V,复印纸适合打印电压800~1000V;(2)打印速度与打印线宽呈负相关,当打印速度过快时会导致银线不连续,RC相纸适合打印速度20~50mm/s,铜版纸适合打印速度10~25mm/s,复印纸适合打印速度5~10mm/s;(3)打印气压决定材料的挤出量,与打印线宽呈正相关,但打印气压过小时会导致银线形貌变差,过大时银线分辨率会降低,适合打印气压120~180k Pa;(4)打印线宽随打印高度的增大而减小,但高度过高时泰勒锥由于受到外界干扰使银线断裂,适合打印高度150μm;(5)随烧结温度和烧结时间的增大,导电电路的电学性能变好,但温度过高、时间过长会破坏纸基表面结构,适合烧结温度80℃,烧结时间60min。(3)采用EFD微纳3D打印工艺与高粘度低温烧结纳米银浆,并结合优化出的工艺参数,在不同纸基表面进行多层堆积实现大高宽比微纳结构,并得到不同纸基银导线结构与电学性能的数学模型。在RC相纸上经过15层堆积后,打印银线的高宽比增加到6.33;在铜版纸表面进行15层堆积后,高宽比增加到5.2;在复印纸表面进行8层堆积后,高宽比增加到0.79。使用MATLAB数据分析软件,拟合出银导线结构特征数学模型,并进行验证其可行性,为后续EFD微纳3D打印纸基电子的制造提供电学性能表征的数学理论模型。(4)针对本文提出的电场驱动喷射微纳3D打印工艺在不同纸基分别进行案例研究。在复印纸、铜版纸和RC相纸表面制备面积为5cm×5cm的圆形、菱形、五角形复杂网栅导电图案,并制备了灯阵和书签灯两种功能性电路;在RC相纸和铜版纸表面制作弯折次数分别为2和3的RFID标签天线,通过仿真分析和实际测量分别得到回波损耗S11=-26.99dB和S11=-30.3dB,测试结果和仿真结果基本一致,与实验所用的电子芯片Andy100产生近似共轭匹配,满足阻抗匹配要求;在复印纸表面通过多层堆积制备纸基柔性电磁驱动器,并进行性能表征。
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