CN113369108A

CN113369108A - 一种电场调控的传感器制备方法

Info

Publication number: CN113369108A
Application number: CN202110046848.8A
Authority: CN
Inventors: 王太宏; 岳泉; 肖松华; 李志斌
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明公开了一种电场调控的传感器制备方法，涉及传感器制备技术领域。通过电场调控带电射流制备传感器敏感结构，包括射流的产生、聚焦和运动控制部分。（1）构建一级电场，流体喷射形成极细带电射流；（2）构建二级电场对带电射流进行聚焦，实现带电射流的精确沉积；（3）构建三级电场，控制带电射流运动沉积。该发明方法可精准控制传感器敏感结构，制备设备简单，操作容易，可实现传感器敏感结构小尺度、高精度快速制备。

Description

一种电场调控的传感器制备方法

技术领域

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种电场调控的传感器制备方法。

背景技术

传感器应用到生活和生产中的方方面面，目前制备传感器的敏感结构常规的做法主要依靠激光加工、刻蚀、纳米压印、自组装等方式，激光加工做到纳米结构比较困难，而且设备成本高；光刻技术不仅设备成本高，而且工艺复杂，限制了其大范围的使用，纳米压印模板严重依赖于光刻技术，价格昂贵；自组装技术实验条件要求高、实现困难。

电流体喷射技术制备微结构所需设备简单、容易操作，生产的纤维孔隙率高、比表面积和长径比(长度/直径)大，而且有着较高的表面活性和优异的力学性能。基于这些优势，电流体喷射技术在柔性电子、生物载药、组织工程、催化、过滤、防护等领域有着广泛的应用。

电流体动力学喷射现象最早由Rayleigh首先观察到，1934年Formhals发明了基于电流体动力学喷射技术的实验装置，并申请了专利。Taylor在1964年提出在电流体喷射过程中形成圆锥形状液滴，建立相关数学模型。2003年Elmarco公司研制Nano-spider量产设备，为电流体喷射技术产业化应用奠定了基础。2006年Daoheng Sun等提出了近场电流体喷射沉积，喷头与收集装置处于很近的距离，避免了射流不稳定区，可以做到射流的可控沉积，但是沉积厚度受限，而且对收集平台的稳定性和移动速度有着较高的要求。2016年Tae-Hwan Han等基于电流体喷射技术，使用转动收集装置实现射流的取向沉积。

虽然电流体动力学喷射技术已经有了很大的发展，但是射流不稳定运动问题并没有得到有效解决，射流运动有效控制依旧很困难。因此，本发明提出通过电场调控的方式控制射流的运动沉积，解决射流不稳定、不可控的问题，提供一种简单高效的传感器敏感结构制备方法。

发明内容

本发明技术方案：

本发明一种电场调控的传感器制备方法，利用带电射流在电场中受到电场力的作用产生运动，通过构建电场调控带电射流的产生、聚焦和运动沉积，制备传感器敏感结构。构建一级电场，实现射流产生，聚合物流体在表面张力、自身重力、粘滞力和电场力的作用下逐渐形成锥状，随着锥尖端不断聚集同性电荷，电荷间的排斥力逐渐增大，当排斥力大于表面张力时，极细带电射流从锥的尖端喷出。构建二级聚焦电场，带电射流受到向聚焦中心的电场力，随着场强的增大，电场对带电射流的聚焦约束作用增强，带电射流不稳定运动现象逐渐减弱，最终形成单股稳定射流，解决射流不稳定运动问题，实现射流精确沉积。根据所加工的传感器敏感结构形貌，设计带电流体运动轨迹，构建三级电场，单股稳定带电射流在电场力作用下发生偏离聚焦中心轴线位置的运动，电场强度越大射流偏离程度越大。射流荷电极性不同，将会发生顺着或者逆着电场方向偏转，而且电场方向改变的同时带电射流偏转的方向发生相应变化，从而实现带电射流在电场驱动下按照预设轨迹发生运动，经沉积固化，制备得到敏感结构。

本发明一种电场调控的传感器制备方法，通过电场调控的方式制备敏感结构，设备简单，容易操作，可实现传感器敏感结构小尺度、高精度快速制备。该方法有效解决带电射流不稳定运动问题，实现单股射流的精确、可控沉积。同时，高频变化的电场力驱动射流偏转运动速度要远高于机械运动收集速度，制备敏感结构效率大大提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍；

图1是本发明一种电场调控的传感器制备方法实施例1的结构示意图。图中，1.物料供给装置，2.喷头，3.正高压电源，4.金属圆环辅助电极，5.正高压源，6.可编程高压电源，7.金属极板，8.负高压电源，9.收集装置；

图2是本发明一种电场调控的传感器制备方法实施例2的结构示意图。图中，1.物料供给装置，2.喷头，3.正高压电源，4.金属板辅助电极，5.可编程高压电源，6.金属极板，7.负高压电源，8.收集装置；

图3是实施例1和实施例2中所述辅助电极示意图，(a)金属圆环辅助电极，(b)金属板辅助电极和(c)金属锥形辅助电极；

图4是工业相机拍摄的辅助电极构造聚焦电场作用下得到的单股稳定射流图像，(a)单股稳定射流上部区域，(b)单股稳定射流下部区域；

图5是工业相机拍摄的单股稳定射流精确沉积的图像；

图6是单股稳定射流在电场作用下偏离聚焦中心的示意图，虚线为聚焦中心线；

图7是工业相机拍摄的图像，(a)单股稳定射流在聚焦中心的图像，(b)单股稳定射流在电场作用下偏离聚焦中心的图像。

具体实施方式

本发明一种电场调控的传感器制备方法，通过电场调控带电射流的方式制备传感器敏感结构。下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明一种电场调控的传感器制备方法，利用带电射流在电场中受到电场力的作用产生运动，通过构建电场调控带电射流的产生、聚焦和运动沉积，制备传感器敏感结构。

构建一级电场，产生带电射流，包括：物料供给装置1、喷头2、正高压电源3、负高压电源8、收集装置9。物料供给装置1与喷头2连接，将流体物料送入喷头2中。收集装置9置于喷头2正下方，喷头2与收集装置9距离在1mm～100mm。正高压电源3与喷头2连接，负高压电源8与收集装置9连接，高压电源接地端接地。在喷头2和收集装置9之间形成高压电场，通过物料供给装置1送入喷头2中的流体物料从喷头2中挤出，流体在高压电场作用下在喷头2出口处形成锥状，锥尖端表面不断聚集同性电荷，当电荷间的排斥力大于表面张力时，极细带电射流从锥的尖端喷射而出。

构建二级电场，约束不稳定运动的带电射流，包括：金属圆环辅助电极4(如图3a)和正高压电源5，喷头2置于金属圆环辅助电极4中心，喷头2出口处与金属圆环辅助电极4中心点距离在0～20mm范围，金属圆环辅助电极4与正高压电源5电压输出端连接，正高压电源5另一端接地。通过控制正高压电源5输出电压，金属圆环辅助电极4与收集装置9之间形成聚焦电场，电场力对带电射流约束，形成单股稳定射流(如图4)，实现射流精确沉积(如图5)。

构造三级电场，对带电射流的运动进行控制，包括：可编程高压电源6和两块金属极板7，可编程高压电源6与两块金属极板7连接，两块金属极板7之间的距离在1mm～80mm，金属极板7与收集装置9之间的距离在1mm～50mm范围可调。根据所加工的传感器敏感结构形貌，设计带电流体运动轨迹，构建电场控制带电射流的偏转运动(如图6和图7)，实现射流的可控沉积。可编程高压电源6设置输出特定波形信号，在两相互垂直放置金属极板7之间产生变化电场，带电射流经过两金属极板7之间区域，通过相应变化电场力的驱动作用，带电射流按照设定轨迹运动，实现射流的可控结构化沉积，从而制备得到传感器敏感结构。

喷头2、收集装置9、金属极板7和辅助电极4可以为不锈钢、铝合金、铜合金或者碳纳米管。

物料供给装置1将流体物料送入喷头2中。首先，打开正高压电源3和负高压电源8，在喷头2和收集装置9之间产生高压电场，流体在喷头2端部出口处形成锥状，喷头2端部流体表面聚集同性电荷，当电荷间的排斥力大于表面张力时，带电射流从锥尖端喷出。然后，打开正高压电源5，通过控制正高压电源5输出电压，在金属圆环辅助电极4与收集装置9之间形成聚焦电场，带电射流在聚焦电场的作用下受到约束，形成稳定运动的单股带电射流。最后，打开可编程高压电源6，根据预先设计的带电射流运动轨迹，构建电场控制带电射流运动沉积，可编程高压电源6输出特定波形信号，从而在两互相垂直放置的金属极板7之间射流经过区域产生变化电场，通过变化电场力作用，控制带电射流的运动，实现射流在收集装置9结构化沉积，从而制备得到传感器敏感结构。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同在于实施例2辅助电极为金属板辅助电极，金属板辅助电极4与喷头2接触。

构建一级电场，产生带电射流，包括：物料供给装置1、喷头2、正高压电源3、负高压电源7、收集装置8。物料供给装置1与喷头2连接，将流体物料送入喷头2中。收集装置8置于喷头2正下方，喷头2与收集装置8距离在1mm～100mm。正高压电源3与喷头2连接，负高压电源7与收集装置8连接，高压电源接地端接地。在喷头2和收集装置8之间形成高压电场，通过物料供给装置1送入喷头2中的流体物料从喷头2中挤出，流体在高压电场作用下在喷头2出口处形成锥状，锥尖端不断聚集同性电荷，当电荷间的排斥力大于表面张力时，极细带电射流从锥尖端喷射而出。

构建二级电场，约束不稳定运动的带电射流，包括：金属板辅助电极4(如图3b)，喷头2穿过金属板辅助电极4中心孔并接触，喷头2出口处与金属板辅助电极4距离在0～20mm范围，从而金属板辅助电极4与喷头2等电位，在金属板辅助电极4与收集装置8之间形成聚焦电场，电场力的作用对带电射流约束，形成单股稳定射流。

构造三级电场，对带电流体的运动进行控制，包括：可编程高压电源5和两块金属极板6，可编程高压电源5与两块相互垂直放置的金属极板6连接，两块金属极板6之间的距离在1mm～80mm，金属极板6与收集装置8之间的距离在1mm～50mm范围可调。根据所加工的传感器敏感结构形貌，设计带电流体运动轨迹，构建电场控制带电射流运动沉积。可编程高压电源5设置输出特定波形信号，在两相互垂直放置金属极板6之间产生变化电场，带电射流经过两金属极板6之间区域，通过相应变化电场力的驱动作用，带电射流按照设定轨迹运动，实现射流在收集装置8的结构化沉积，从而制备得到传感器敏感结构。

喷头2、收集装置8、金属极板6和辅助电极4可以为不锈钢、铝合金、铜合金或者碳纳米管。

物料供给装置1将流体物料送入喷头2中。打开正高压电源3和负高压电源7，在喷头2和收集装置8之间产生高压电场，流体在喷头2端部出口处形成锥状，喷头2端部流体表面聚集同性电荷，当电荷间的排斥力大于表面张力时，带电射流从锥尖端喷出。喷头2穿过金属板辅助电极4中心孔并接触，从而金属板辅助电极4与喷头2等电位，在金属板辅助电极4与收集装置8之间形成聚焦电场，带电射流在聚焦电场的作用下受到约束，形成稳定运动的单股带电射流。打开可编程高压电源5，根据所加工的传感器敏感结构形貌，设计带电流体运动轨迹，构建电场控制带电射流运动沉积，可编程高压电源5输出特定波形信号，从而在两互相垂直放置的金属极板6之间射流经过区域产生变化电场，通过变化电场力作用，控制带电射流的运动，实现射流在收集装置9的结构化沉积，从而制备得到传感器敏感结构。

辅助电极还可以为金属锥形(如图3c)或者其它形式起聚焦作用的辅助电极。

以上对本发明较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，凡是涉及或者依据本发明的内容进行的研究都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于，包括：射流的产生、聚焦和运动控制部分；根据所加工的传感器敏感结构形貌，设计带电流体运动轨迹，构建控制电场，通过电场调控射流的产生和沉积，制备传感器敏感结构；

所构建一级电场，所选用流体在电场作用下喷射产生极细射流；

所构建二级电场，带电射流受到电场力的聚焦作用，形成稳定单股射流；

所构建三级电场，控制带电射流的运动，实现带电射流的结构化沉积，并对沉积的流体进行固化，制备得到传感器敏感结构。

2.根据权利要求1所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：所构建一级电场强度范围在50kV/m～400kV/m。

3.根据权利要求2所述一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：构建电场所需的喷头、收集装置可以为不锈钢、铜合金、铝合金或者碳纳米管，喷头与收集装置距离在1mm～100mm。

4.根据权利要求1所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：所述二级电场通过引入辅助电极进行构建；辅助电极可以为金属圆环、金属板、金属锥形或者其它形状具有聚焦作用的电极，辅助电极材料可以为不锈钢、铝合金、铜合金或者碳纳米管。

5.根据权利要求4所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：所述辅助电极置于距带电射流喷射出口0～20mm区域，辅助电极可沿带电射流喷射出口中心轴线方向移动，对电场进行调节。

6.根据权利要求1所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：所述三级电场的构建是根据传感器敏感结构形貌，规划带电流体运动轨迹，设计控制射流相应运动的电场；射流运动控制电场可用可编程高压电源和两块相互垂直的金属极板来进行构建，可编程高压电源的输出端分别与两金属极板相连。

7.根据权利要求6所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：所述可编程高压电源输出特定波形电压信号，在两个金属极板之间区域产生变化电场；单股稳定射流通过该区域在电场力作用下按照一定轨迹运动，从而实现结构化沉积。

8.根据权利要求7所述的一种电场调控的传感器制备方法，其特征在于：两块金属极板之间的距离在1mm～80mm，两块金属极板与用于收集带电射流的结构化沉积的收集装置之间的距离在1mm～50mm范围可调，金属极板材料可以为不锈钢、铝合金、铜合金或者碳纳米管。