Application | 使用具有成本效益的Inkjet喷墨打印技术制备零下温度传感器

科技   2024-09-14 16:00   江苏  



印度孟买理工学院冶金工程与材料科学系Dipti Gupta课题组使用MicroFab  Inkjet喷墨打印技术制备了低成本的零下温度传感器。研究团队通过Jetlab 4喷墨打印系统在柔性PDMS基材上基于石墨烯纳米复合材料喷墨打印获得了厚度为530nm、电导率为~189Sm-1的石墨烯纳米复合材料的功能薄膜。





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 正文


通过优化印刷石墨烯纳米复合油墨的光子烧结条件,在柔性PDMS基板上基于石墨烯纳米复合材料喷墨打印的零下温度传感器的制造和表征,获得了温敏导电石墨烯纳米复合层,该基板能够在-30°C至80°C之间的大范围内监测温度,用于制药应用的冷藏监测。该传感器通过信号处理电路将信号传输到智能手机并在数字显示器上监控温度值,实现了无线操作传感。此外,这种传感器还可以用于生物应用的温度传感测量,因为造血干细胞、人上皮细胞、细胞成分(DNA、RNA)和小鼠成纤维细胞等生物材料通常需要在零下温度范围内(主要低于-10°C)储存数月或数年,对温度敏感易造成损害。因此,通过使用基于石墨烯纳米复合材料的零下温度传感器,可以很容易地监测生物物种的实时温度。

实验使用MicroFab Jetlab 4 喷墨打印系统进行打印(图1c),因为它具有多功能性、精密度和可操作性。选择孔口直径为80μm的压电打印头,能够产生具有精确体积和尺寸的液滴,这对于生产高质量的印刷材料非常重要。采用双电压为60V、下降持续时间为25s单偏置脉冲,液滴发生频率为600Hz。在打印过程中,可以通过调整驱动波形实现调整至液滴的形状、尺寸和速度的目标参数,此实验的液滴尺寸为100-120μm的液滴。为了高效打印,采用了速度为50mm/s 飞行打印模式。选择喷头温度为35°C,打印底台温度为70°C,以确保适当的油墨附着力和干燥性,此实验需要精准控制喷头和打印底台的温度,以确保最佳打印条件,这对于生产高质量的印刷品至关重要。


▲ 图1 基于石墨烯纳米复合材料的喷墨打印温度传感器的制备工艺示意图


▲ 图2 石墨烯油墨在PDMS表面的接触角测量和印刷石墨烯薄膜的附着力测试

在控制环境室调控温度在零度以下到高温之间,通过使用源测量单元观察光子固化石墨烯纳米复合薄膜在不同温度条件下的电阻变化,探究所制备传感器的温度灵敏度。如图3所示,将温度传感器放置在控制环境腔室内并连接到源测量单元,同时将源测量单元连接到笔记本电脑进行电气测量。此外,使用数字温度计连续监测温度,温度从-30°C到80°C,步长为10°C。为了获得不同温度值下的温度传感曲线,绘制了电阻值随温度变化的相对变化图。电阻温度系数(TCR)值由以下公式计算:
(1)
其中R0表示传感器在初始温度R下的电阻t表示传感器在测量温度下的电阻,ΔT是测量温度下相对于初始温度的温差。

▲ 图3 石墨烯油墨在PDMS表面的接触角测量和印刷石墨烯薄膜的附着力测试

进一步,通过测量制备的石墨烯纳米复合薄膜在机械变形下的电阻,探究了传感器的机械柔韧性。将传感器设备夹在拉力测试仪上,并进行连续的机械弯曲循环,同时使用源测量单元进行电气测量。值得注意的是,石墨烯纳米复合膜在弯曲过程中保持在器件的内侧承受压缩应变,并保持20mm的最小弯曲半径。

▲ 图4 (a)预烧结和(b)后烧结(10脉冲,3 kV)印刷石墨烯纳米复合薄膜的FESEM图像

如图4a可以看出,预烧结时石墨烯纳米复合片在印刷过程中没有完全分散和彼此分离。如图4b所示在光子烧结后乙基纤维素粘合剂在光子烧结时分解,从而形成纯石墨烯纳米复合片的连续网络。此外,可以看出石墨烯纳米复合片在光子烧结后变得相互连接,这有利于电传输并导致高导电性薄膜。观察到的形貌变化证实了光子烧结在提高石墨烯纳米复合薄膜导电性方面的有效性。

▲ 图5 (a)光子固化前和(b)光子固化后印刷石墨烯/乙基纤维素纳米复合薄膜的原子力显微镜(AFM)图像

图5a和b分别表示光子烧结前后石墨烯纳米复合薄膜的AFM形貌图。在光子烧结之前,石墨烯纳米复合薄膜可以观察到相对光滑的表面,均方根(RMS)值为36.3±5nm。光子烧结薄膜的RMS粗糙度为59.9±7nm。光子烧结后表面粗糙度的增加可归因于光子烧结过程中粘合剂、溶剂和其他成分从石墨烯纳米复合油墨配方中逸出。然而,在光子烧结后,可以确认石墨烯纳米复合纳米结构之间的强相互联系。

▲ 图6 (a) 非封装传感器的电阻随温度的变化(从-30°C到80°C),(b)和(c)电荷载流子在较低和较高温度下的平均自由程的示意图,(d)封装传感器的电阻随温度的变化(%)(从-30到80°C),(e)电阻随6°C时间的变化, 分别为60°C和95°C,(f) 在灯开启和关闭条件下电阻随时间的变化

图6a以电阻百分比变化(ΔR/R)表示传感器的响应0%)作为温度的函数。结果表明,该传感器在-30°C至80°C的宽温度范围内响应呈线性,表明基于石墨烯纳米复合材料的传感器能够检测较宽范围内的温度变化。随着温度的升高,传感器的电阻也会增加。这种行为是由于石墨烯纳米复合材料的正温度系数(PTC),温度的升高导致晶格散射的增加,这导致电荷载流子的平均自由程减小,导致其迁移率值降低,从而增加石墨烯纳米复合材料的电阻。

图7(a)放置在印刷阵列传感器上的热表面示意图,(b)与热表面放置相对应的电阻变化


图8 (a)封装的印刷石墨烯层,(b)在40°C至50°C的非零度范围内从表面到活性层的温度分布,(c)在-20°C至-30°C的零下范围内从表面到活性层的温度分布


图9 温度传感器无线集成电路图示意图


视频S1 温度传感器视频 1


视频S2 温度传感器视频 2


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 相关设备型号


MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab Ⅱ

特点

  • Inkjet喷墨打印技术,数字可控,高精度运动控制

  • 具备校准系统,实现精准的定位打印

  • 产生皮升体积液滴,液滴体积CV<1%,从而实现精准的定量

  • 打印效率高,喷头频率1-30kHz

  • 配置有MicroFab应用程序及PC,可进行液滴的测量及观测

  • 材料适应性强,适用多于500种的液体喷射,溶液粘度范围1-30cps

  • 可放大、观察和测量打印的工件

  • 喷头可清洗,可重复使用


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 结语

本文介绍了喷墨打印柔性温度传感器的成功制造,并演示了其无线操作。据报道,传感器能够监测−30 °C至80 °C的宽温度范围,灵敏度为0.119 %/°C。为了实现这一点,商业石墨烯纳米复合油墨被喷墨印刷在柔性PDMS基材上,并被用作温度传感层。印刷油墨经过低热预算光子烧结,除去了配方中的粘合剂、乙基纤维素、有机溶剂等其他化学物质,并表达诱导功能。总体而言,这项工作解决了与柔性温度传感器制造相关的几个现有挑战,并通过柔性石墨烯纳米复合材料器件提出了印刷、光子烧结和零下温度传感的独特组合。未来的前景包括具有不同功能的多个传感器的可扩展性,集成到工业和物联网应用通常需要的复杂系统中,以及监测实时生物温度变化。



参考文献:

[1] Saurabh Soni,Pushkar Sathe,Sudipta Kumar Sarkar,Ashok Kushwaha, Dipti Gupta,Inkjet-printed sub-zero temperature sensor for real-time monitoring of cold environments,International Journal of Biological Macromolecules 258 (2024) 128774 






上海睿度光电RUIDU是

美国MicroFab在中国地区的合作伙伴,

专注于纳米材料沉积喷墨打印系统

涂层系统的定制化开发和生产,

为高校科研院所及研发实验室提供系统的解决方案。
如有Inkjet、EHD、Ultra-sonic打印需求,
烦请通过以下方式与我司联系:
咨询邮箱:service@rd-mv.com
总部电话:021-51816409
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