CN112388168A - 基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺，基于光热效应，利用脉冲激光在聚酰亚胺膜表面产生多孔石墨烯指叉电极；多孔石墨烯指叉电极固定在旋涂仪上，烘烤，旋涂的聚二甲基硅氧烷厚度为100‑500微米；烘箱中烘烤1小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺基底上剥离，可将图案化的多孔石墨烯转移到聚二甲基硅氧烷薄膜A面上；最后，利用脉冲激光在步骤五中所得到的样品B面上交叉扫描产生超疏水结构。采用此种方法提供的柔性液滴传感器具有可大面积快速制备、成本低、制备简易等特点，可共形贴附于雨伞、雨衣表面收集自然界的能量，也可用于实时监测临床静脉注射或输血等。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺。
背景技术
近年来，随着物联网、人工智能、大数据等技术的蓬勃发展，工业界对于多功能、可持续运行的传感网络提出了迫切需求。然而，传感器网络一般具有尺寸小、密度大等特点，这为传统供能体系的接入带来了巨大挑战。因此，开发自供能传感器（无需电池或外部供能而从周围环境提取能量）意义重大。摩擦纳米发电机（TENG）是一种基于摩擦起电和静电感应效应，将机械能转换为电能的技术。在机械能转换为电能的同时，可对电输出信号分析推算出机械能输入的强度和频率。这为开发自供能传感器提供了崭新的思路。
基于上述机制，人们开发了多种自供能传感器。其中，基于离散型的固液接触起电传感器，由于其可有效减小摩擦材料损耗的特性而备受关注。当液体与固体进行接触时，两者表面将发生电子（离子）转移现象，从而产生电能。基于对电信号的输出频率和大小的分析，我们可以得到液滴的属性。然而，目前报道的液滴自供能传感器通常基于硬性的基质材料，且加工制备方法较为复杂，不利于共形贴附于不规则物体表面应用。另外，当液滴与固体表面接触后，液体需要自动滚离固体表面，从而维持传感器的稳定性。因此，人们在固体表面制备产生疏水结构，但是疏水结构的制备通常涉及到较为复杂的加工制造工艺。
针对现有技术缺陷，本专利提供了基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺，以解决上述背景技术中提出的现有的传感器制备成本低、制备方法繁多等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺具体工艺为：步骤一、基于光热效应，利用脉冲激光在聚酰亚胺膜表面产生多孔石墨烯指叉电极；
步骤二、将溶液混合比为10:1的聚二甲基硅氧烷溶液充分搅拌均匀，在真空中去除气泡，将步骤1中制备的多孔石墨烯指叉电极固定在旋涂仪上，随后，将聚二甲基硅氧烷溶液浇注在样品表面，静置2分钟，调整旋涂仪的转速180-220 rpm，时间为5-8秒；将转速增加到90-1100 rpm，时间为3-8秒，将样品移入烘箱中烘烤18-22分钟；
步骤三、多次重复步骤二精确控制旋涂的聚二甲基硅氧烷厚度为100-500微米；
步骤四、将步骤三中所制备的样品放置于烘箱中烘烤1小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；
步骤五、将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺基底上剥离，可将图案化的多孔石墨烯转移到聚二甲基硅氧烷薄膜A面上；
步骤六、最后，利用脉冲激光在步骤五中所得到的样品B面上交叉扫描产生超疏水结构。
作为优选，所述的步骤一中激光加工的能量密度为：8.0-8.8 J/cm2, 扫描速度为：95-110mm/s；
作为优选，所述的步骤六中脉冲激光的扫描的能量密度为：5.3-5.8 J/cm2, 扫描速度为：380-420mm/s，扫描间距为90-110微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用此种方法提供的柔性液滴传感器具有可大面积快速制备、成本低、制备简易等特点，可共形贴附于雨伞、雨衣表面收集自然界的能量，也可用于实时监测临床静脉注射或输血等。
附图说明
图1为本发明的制备结构示意图；
图2为实施例中制备的自供能柔性液滴传感器的工作原理图；
图3为实施例中多孔石墨烯的扫描电子显微镜形貌图；
图4为实施例中脉冲激光交叉扫描后的聚二甲基硅氧烷扫描电镜形貌图；
图5为实施例中脉冲激光交叉扫描前后的聚二甲基硅氧烷表面亲疏水性质；
图6为实施例中制备的自供能柔性液滴传感器的实物图；
图7为实施例中柔性液滴传感器的测试装置示意图；
图8为实施例中柔性液滴传感器的测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例提供了一种基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺：步骤一、基于光热效应，利用脉冲激光在聚酰亚胺膜表面产生多孔石墨烯指叉电极，如图1（a）所示，调节激光加工的能量密度为：8.5 J/cm2, 扫描速度为：100 mm/s；
步骤二、将溶液混合比为10:1的聚二甲基硅氧烷溶液 充分搅拌均匀，在真空中去除气泡，将步骤1中制备的多孔石墨烯指叉电极中所制备的样品固定在旋涂仪上，随后，将聚二甲基硅氧烷溶液浇注在样品表面，静置2分钟，调整旋涂仪的转速和时间分别为200 rpm和5秒；转速增加到1000 rpm，时间为5秒，将样品移入烘箱中烘烤20分钟，如图1（b）所示；
步骤三、多次重复步骤二精确控制旋涂的聚二甲基硅氧烷厚度为100-500微米，如图1（b）所示；
步骤四、将步骤三中所制备的样品放置于烘箱中烘烤1小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；
步骤五、将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺基底上剥离，可将图案化的多孔石墨烯转移到聚二甲基硅氧烷薄膜A面上，如图1（c）所示。
步骤六、最后，利用脉冲激光在（5）中所得到的样品B面交叉扫描产生超疏水结构，如图1（d）所示，其中激光的扫描的能量密度为：5.5 J/cm2, 扫描速度为：400 mm/s，扫描间距为100微米。
本实施例制备的基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器主要基于静电感应和摩擦起电的耦合原理而产生电流，首先，传感器与水平面呈30°，以利于水滴的自由滚动。如图2（a）所示，当水滴接触带有超疏水结构的聚二甲基硅氧烷表面时，由于摩擦生电效应，水滴和疏水表面分别带正电荷和负电荷。由于水滴带有正电荷，负电荷将在第一个石墨烯指叉电极上积聚。其他电极对呈现正电荷。此时，在第一个石墨烯电极和其他石墨烯电极之间形成了反向电荷分布，从而产生脉冲电流。
如图2（b）所示，当液滴滚落到第二个石墨烯电极表面时，第二个石墨烯电极带负电荷，而其他电极带正电荷。此时，所产生的脉冲电流与之前的电流极性相反。液滴的大小、滚动速度、以及其它属性可根据交流电的强度和频率分析得出。
如图3所示，由脉冲激光诱导的石墨烯带有多孔结构，有利于聚二甲基硅氧烷溶液渗透入多孔结构。在高温固化后，两者紧密耦合成复合导电膜。另外，转移后的石墨烯/聚二甲基硅氧烷导电复合膜的方块电阻约为20 Ω/口。
为避免水滴与聚二甲基硅氧烷表面粘连，脉冲激光交叉扫描后产生带有微纳结构的圆锥形结构阵列，如图4所示。水滴与该粗糙表面的接触角约为155°，说明已经形成了超疏水表面，而没有经过脉冲激光扫描的聚二甲基硅氧烷表面的水滴接触角约为80°，为亲水表面。如图5所示。
图6展示了制备的自供能柔性液滴传感器的实物图，将其贴附于雨伞表面，使一定体积的水滴（约为0.2 毫升/小滴），以一定的时间间隔，滴落在样品表面，可产生10 nA左右的电流，如图7和8所示。通过电信号的输出频率和大小，可解析出液滴的滴落大小、速度等其它属性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺，其特征在于：所述的具体工艺步骤为：步骤一、基于光热效应，利用脉冲激光在聚酰亚胺膜表面产生多孔石墨烯指叉电极；
步骤二、将溶液混合比为10:1的聚二甲基硅氧烷溶液充分搅拌均匀，在真空中去除气泡，将步骤一中制备的多孔石墨烯指叉电极固定在旋涂仪上，随后，将聚二甲基硅氧烷溶液浇注在样品表面，静置2分钟，调整旋涂仪的转速180-220 rpm，时间为5-8秒；将转速增加到90-1100 rpm，时间为3-8秒，将样品移入烘箱中烘烤18-22分钟；
步骤三、多次重复步骤二精确控制旋涂的聚二甲基硅氧烷厚度为100-500微米；
步骤四、将步骤三中所制备的样品放置于烘箱中烘烤1小时，以充分固化聚二甲基硅氧烷；
步骤五、将聚二甲基硅氧烷薄膜从聚酰亚胺基底上剥离，可将图案化的多孔石墨烯转移到聚二甲基硅氧烷薄膜A面上；
步骤六、最后，利用脉冲激光在步骤五中所得到的样品B面上交叉扫描产生超疏水结构。
2.根据权利要求1所述的基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺，其特征在于：所述的步骤一中激光加工的能量密度为：8.0-8.8 J/cm2, 扫描速度为：95-110mm/s。
3.根据权利要求1所述的基于激光加工技术的自供能柔性液滴传感器的制备工艺，其特征在于：所述的步骤六中脉冲激光的扫描的能量密度为：5.3-5.8 J/cm2, 扫描速度为：380-420mm/s，扫描间距为90-110微米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210223 |
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