一种基于喷墨打印的柔性湿度传感器及其制备工艺

1.本发明属于湿度传感器技术领域，涉及一种柔性湿度传感器制备技术，特别涉及一种基于喷墨打印的柔性湿度传感器及其制备工艺。


背景技术：

2.湿度传感器在农业、工业、气象、军事等领域都发挥着重要的作用，它代替了传统的干湿球湿度计和毛发湿度计，能够对环境湿度进行稳定、准确的测量。常见的湿度传感器主要分为电阻式和电容式两大类，其基本结构都是利用半导体制备工艺(光刻、溅射等)在基片上涂覆一层湿敏材料，形成感湿膜。当感湿膜吸附水蒸气后，元件的阻抗、相对介电常数、几何尺寸都会发生较大变化，从而制成湿敏元件。
3.常见的电阻式湿度传感器有金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等，具有高精度、高灵敏度的优点，但是线性度和产品的互换性较差，且大多是刚性材质。常见的电容式湿度传感器一般由高分子薄膜(聚苯乙烯、聚酰亚胺等)制成，虽然精度一般比湿敏电阻低，但其较好的灵敏度、线性度、可互换性、响应速度以及容易实现小型化、集成化和柔性化的特点，使得湿敏电容在可穿戴市场成为主流。
4.喷墨打印(inkjet printing)被称为数字书写技术，其工作原理是在数字控制下将喷头处产生的大量微小墨滴直接沉积在基材上。喷墨打印的图案由数字文件定义而不是人工设定的模板，因此很容易更改，设置成本低、时间短，非常适合于短期印刷。随着技术稳定性和鲁棒性的提高，喷墨打印在印刷市场中占据越来越重要的份额，现已被广泛应用于在生产环境中打印可变信息，甚至用于打印定制产品。
5.近年来，随着柔性电子器件的蓬勃发展，如何通过设计传感器结构、改进材料制备工艺，在实现柔性化、保证灵敏度和可靠性的同时减小制造成本、缩短研发周期、降低环境污染成为了备受关注的研究领域，而引入喷墨打印技术是目前主要的解决方案之一。


技术实现要素：

6.本发明针对现有基于半导体工艺的湿度传感器的成本高、基片不能弯曲等缺点，提出一种基于喷墨打印的柔性湿度传感器及其制备工艺，突破了原有产品和工艺的诸多缺点，实现柔性化的同时节省了工业和时间成本。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：
8.本发明提供了一种基于喷墨打印的柔性湿度传感器，结构从下到上依次包括：
9.柔性基底，采用可弯曲但不可延伸的生物相容性材料；
10.底层电路，包括通过喷墨打印在柔性基底上的电容底电极板和与电容底电极板相连的电感线圈；
11.绝缘层，覆盖于底层电路上的柔性绝缘材料；
12.吸水层，设于绝缘层上能够吸水膨胀的柔性高分子薄膜，用于感湿，所述绝缘层和吸水层均露出电感线圈引线头；
13.顶层电路，包括基于喷墨打印于吸水层上电容顶电极板，所述电容顶电极板上设有便于吸水层进行吸湿和蒸发的微孔；电容顶电极板通过导电引线与底层电路上电感线圈相连；
14.所述电容底电极板、电容顶电极板和位于两者之间的吸水层一起构成平板湿敏电容。
15.所述绝缘层用于隔开电容底电极板和电容顶电极板，避免电容短路击穿。
16.平板湿敏电容和电感线圈一起组成lc谐振电路。当环境湿度增加时，所述吸水层吸水膨胀，其厚度和相对介电常数发生变化，使电容底电极板和电容顶电极板构成的平板电容发生改变，通过外部矢量网络分析仪的检测lc谐振电路的谐振频率变化，参照实验结果标定所述元件湿度响应曲线，实现湿度测量功能。
17.优选的，所述电容底电极板和电容顶电极板互相平行，位置相对且大小相同，提高传感器结构的稳定性和对称性。
18.优选的，所述吸水层采用具有良好的黏着性和成膜性且可以生物降解的聚乙烯醇(pva)材料。
19.优选的，基于喷墨打印加工的底层电路和顶层电路厚度均为100-300nm，最优为200nm，使得制备封装过程中，底层电路和顶层电路厚度可以忽略不计，相邻两层柔性材料直接可以叠加实现封装，无需其他胶粘剂等封装结构。
20.优选的，所述柔性基底的厚度为50～100μm，所述绝缘层、吸水层的厚度为200～500nm。
21.优选的，所述柔性湿度传感器的整体厚度为10～100μm，面积为10～100mm2。
22.优选的，所述生物相容性材料为聚酰亚胺(pi)，但不限于此。
23.优选的，所述柔性绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)和/或聚三亚甲基碳酸酯(ptmc)，但不限于此。
24.优选的，所述绝缘层和吸水层采用喷墨打印或者涂覆制备。
25.优选的，所述电容顶电极板为金属薄膜网孔结构，金属薄膜上网孔的孔径为微米级，形状不限于方形、圆形、三角形等，大小、间距可根据实际需求改变。
26.优选的，所述底层电路和顶层电路均采用纳米银墨水打印。
27.本发明还提供一种上述任意一项所述柔性湿度传感器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
28.s1，准备柔性基底；
29.s2，对柔性基底进行氧化处理改变其亲水性，使得可以在其上进行喷墨打印；
30.s3，基于喷墨打印技术加工底层电路，即电容底电极板、电感线圈，并使二者相连；
31.s4，烘干底层电路，使其固化后具备导电能力；
32.s5，基于喷墨打印技术或者涂覆技术在底层电路上覆盖绝缘层，需要露出引线头；
33.s6，基于喷墨打印技术或者涂覆技术在绝缘层上制备吸水层，需要露出引线头；
34.s7，对吸水层进行氧化处理改变其亲水性，使得可以在其上进行喷墨打印；
35.s8，基于喷墨打印技术加工顶层电路，即电容顶电极板和引线，将引线打印至电感线圈上，使引线与底层电路连通；
36.s9，烘干顶层电路，使其固化后具备导电能力。
37.优选的，步骤s2和s7中所述的氧化处理采用紫外臭氧灯照射处理。
38.优选的，步骤s5中所述绝缘层和前述步骤s6中吸水层的高分子材料溶液容易堵塞喷墨打印设备的喷头，也可采用半导体制备中的常见涂覆工艺代替喷墨打印。
39.优选的，还可以在顶层电路上覆盖柔性保护层，并且所述柔性保护层在电容顶电极板对应位置开设湿敏窗口，便于吸湿和蒸发。
40.本发明还提供一种上述柔性湿度传感器的用途，其特征在于：与矢量网络分析仪配合，用于生物体表层汗液检测、机器人电子皮肤、弧度表面湿度检测等领域。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
42.1.本发明提供的基于喷墨打印的柔性湿度传感器具有结构简单、柔性可弯曲、可穿戴贴敷等优点，可以被加工成多种形状，特别是吸水层采用了能够吸水膨胀的高分子薄膜材料，可以高灵敏度、高可靠性、长寿命地实现对湿度的单一响应，可用于生物汗液检测、机器人电子皮肤、弧度表面湿度检测等领域；
43.2.本发明提供的基于喷墨打印的柔性湿度传感器的制备工艺具有成本低廉、环保无毒的优点，制备过程中无需辅助材料、不涉及需要大型设备特殊工艺、不使用有毒试剂(如光刻胶)，且所有耗材均使用于成品上，不产生额外的废弃物；
44.3.本发明提供的基于喷墨打印的湿度传感器的制备工艺采用全数字制造，除柔性衬底外均通过喷墨打印设备加工，可以在铺设基底后原位连续制造、一次成型，而且喷墨打印的图案由数字文件定义、易于修改，具有可编辑、研发周期短的优点。
附图说明
45.图1为本发明实施例中基于喷墨打印的柔性湿度传感器的结构示意图。
46.图2为本发明实施例中基于喷墨打印的柔性湿度传感器的结构分解示意图。
47.图3为本发明实施例中基于喷墨打印的柔性湿度传感器的剖视原理图。
48.其中，为了表达方便，图1和图2中，底层电路和顶层电路的厚度相对放大了很多倍，实际上厚度很小，并且基底、绝缘层和吸水层都具备柔性，因此，基底、绝缘层和吸水层实际上贴合在一起如图3所示。
49.1-柔性基底，2-底层电路，3-绝缘层，4-吸水层，5-顶层电路，21-电容底电极板，22-电感线圈，51-电容顶电极板，52-引线，53-微孔。
具体实施方式
50.下面结合附图对本发明装置进行详细的说明。
51.如图1所示，本发明提供一种基于喷墨打印的柔性湿度传感器，包括
52.柔性基底1，采用可弯曲但不可延伸的生物相容性材料；
53.底层电路2，包括通过喷墨打印在柔性基底上的电容底电极板21和与电容底电极板相连的电感线圈22；
54.绝缘层3，覆盖于底层电路上的柔性绝缘材料；
55.吸水层4，设于绝缘层上能够吸水膨胀的柔性高分子薄膜，用于感湿，所述绝缘层和吸水层均露出电感线圈；
56.顶层电路5，包括基于喷墨打印于吸水层上电容顶电极板51，所述电容顶电极板上
设有便于吸水层进行吸湿和蒸发的微孔53；电容顶电极板通过导电的引线52与底层电路上电感线圈23相连；
57.所述电容底电极板21、电容顶电极板51和位于两者之间的吸水层4一起构成平板湿敏电容，平板湿敏电容与电感线圈22构成lc谐振电路。当环境湿度增加时，吸水层4吸水膨胀，其厚度和相对介电常数发生变化，使电容底电极板21和电容顶电极板51构成的平板电容发生改变，通过外部矢量网络分析仪检测所述lc谐振电路的谐振频率变化，参照实验结果标定所述元件的湿度响应曲线，实现湿度测量功能。
58.具体来说，本发明的该具体实施方式包括下列步骤：
59.(1)对8mm*10mm*74μm基于pi的柔性基底1进行清洗和干燥；
60.(2)用紫外线臭氧灯对柔性基底1进行2min氧化处理，改变其亲水性，使得可以在其上进行喷墨打印；
61.(3)在柔性基底1上用纳米银墨水打印厚度为200nm的底层电路2，即电容底电极板21和电感线圈22；
62.(4)150℃ 30min烘干底层电路2，使其固化后具备导电能力；
63.(5)在底层电路2上用匀胶机涂覆一层厚度为500nm的pdms膜，即绝缘层3；
64.(6)在绝缘层3上用匀胶机涂覆一层pva溶液，然后45℃低温烘干pva中的水分，得到厚度为180nm(完全吸水膨胀后约为360nm)的pva薄膜，即吸水层4；
65.(7)用紫外线臭氧灯对吸水层4进行10min氧化处理，改变其亲水性，使得可以在其上进行喷墨打印；
66.(8)在吸水层4上用纳米银墨水打印厚度为200nm的顶层电路5，即具有网孔结构的电容顶电极板51和引线52，并使引线52和电感线圈22连通构成lc谐振电路，然后150℃30min烘干底层电路2，使其固化后具备导电能力；
67.(9)将得到的柔性湿度传感器连接矢量网络分析仪，通过温湿度试验箱改变湿度，测量传感器的lc谐振电路在10％～90％rh下的谐振频率变化，标定元件的湿度响应曲线，实现湿度测量功能。
68.本实施例的柔性湿度传感柔软亲肤、便于穿戴贴敷，结构简单、成本低廉、环保无毒，可以高灵敏度、高可靠性、长寿命地实现对湿度的单一响应，其制备工艺融合了喷墨打印技术，具有数字制造的可编辑、研发周期短、一次成型等优点，适合投入大规模工业化生产，可应用于生物汗液检测、机器人电子皮肤、弧度表面深度检测等领域。
69.需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，目的在于让本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不用于限制本发明。在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。