一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法

本发明涉及一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，属于先进制造。

背景技术：

1、湿度传感器被广泛应用于环境监测、电子可穿戴设备、医疗健康等领域。随着柔性电子技术的发展，人们对柔性化、便携式、制备快速高效的柔性湿度传感器的需求增加。

2、柔性湿度传感器由柔性基底、导电电极和传感电极组成。常见的柔性基底材料为聚碳酸酯(pc)、聚酰亚胺(pi)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚二甲基硅氧烷(pdms)等，由于其柔韧性、灵活性以及可弯曲和可折叠性，能够应用于各种复杂状态下的湿度检测。导电电极材料主要是以石墨烯、金属材料(金、银、铜等)等为主。传感电极材料为金属氧化物、金属硫化物、石墨烯及其氧化物等。此外，传感电极需要比表面积大，提供足够的活性位点来捕获来自外部环境的刺激。

3、目前，制造柔性湿度传感器时导电电极和传感电极需要采用不同的工艺。导电电极通常采用光刻、丝网印刷、电化学沉积等工艺制造，而传感电极常采用水热法、化学浴沉积法和溶胶-凝胶法等工艺制造。例如，zhang等人在pi基底上制备柔性湿度传感器，利用光刻技术制备cu/ni导电电极(需要经过掩模覆盖、曝光、显影、刻蚀、去除等一系列加工过程)，采用水热法制备sno2/rgo传感电极。传感器的制造存在工艺流程复杂、工艺周期长、制造效率低的问题(dongzhi zhang,chang hongyan,li peng,et al.fabrication andcharacterization of an ultrasensitive humidity sensor based on metal oxide/graphene hybrid nanocomposite[j].sensors and actuators b:chemical,2016,225233-240)。

4、激光直写技术具有加工周期短、高材料适应性和区域选择性的特点，对于柔性电子设备、柔性储能设备、柔性传感器的制造具有显著优势。目前，采用连续激光将金属离子还原为金属或其氧化物，实现柔性传感器导电电极或传感电极的制造。金属离子的还原以及柔性基底对温度敏感。连续激光的热输入量无法精确控制，导致激光作用区域的温升不精确，对于金属离子的还原产物无法实现精确调控。例如，利用连续激光在pc基底上制造柔性湿度传感器时，传感电极包含不同价态的金属氧化物，在湿度检测时存在非单调湿度响应(xingwen zhou,guo wei,fu jian,et al.laser writing of cu/cu o integratedstructure on flexible substrate for humidity sensing[j].applied surfacescience,2019,494684-690.)。此外，激光作用区域温升极易超过柔性基底热损伤温度，导致基底损伤。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，从而解决现有柔性湿度传感器导电电极和传感电极采用不同工艺制造的问题，提高湿度传感器的制造效率。

2、本发明的技术方案如下。

3、本发明第一方面提供了一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其包括以下步骤：

4、s1：制备金属盐墨水，金属盐墨水包括金属盐、还原剂和去离子水；

5、s2：提供柔性基底，将所述金属盐墨水覆盖在柔性基底表面，将超短脉冲激光聚焦在柔性基底和金属盐墨水形成的界面；通过第一工艺参数的激光直写在柔性基底表面的特定位置实现金属离子的还原沉积生成金属，从而形成导电电极；通过第二工艺参数的激光直写在柔性基底表面的特定位置实现金属粒子的还原生成金属氧化物，从而形成传感电极；

6、s3：清洗激光作用后的柔性基底表面，得到导电电极和传感电极均集成在柔性透明基底表面的湿度传感器。

7、优选地，所述金属盐包括cu(no3)2、cucl2、gacu、cu(choo)2、ni(no3)2、nicl2、ni(ch3coo)2中的至少一种。

8、优选地，所述还原剂包括乙二醇、丙三醇、丁四醇中的至少一种。

9、优选地，所述柔性基底包括pi基底、pet基底、pc基底或pdms基底中的一种。

10、优选地，所述柔性基底厚度为1-1000μm。

11、优选地，所述激光直写的激光脉宽的数量级为10-12-10-15s，重复频率为100khz-100 mhz。

12、优选地，所述第一工艺参数包括：扫描速度为100mm/s，激光峰值功率密度为4.26×109w/cm2。

13、优选地，所述第二工艺参数包括：扫描速度为400mm/s，激光峰值功率密度为8.51×109w/cm2。

14、本发明第二方面提供了一种柔性湿度传感器，包括柔性基底、金属导电电极和金属氧化物传感电极，所述的金属导电电极和金属氧化物传感电极均置于所述柔性基底的表面；所述金属导电电极和所述金属氧化物传感电极都采用超短脉冲激光直写方法的工艺制造。

15、本发明第三方面提供了一种用于制备柔性湿度传感器的装置，包括激光器和扫描振镜系统，所述扫描振镜系统能够输出具有第一工艺参数的超短脉冲激光，以及具有第二工艺参数的超短脉冲激光；所述具有第一工艺参数的超短脉冲激光能够在柔性基底表面的特定位置实现金属盐墨水中的金属离子的还原沉积生成金属，从而形成导电电极；所述具有第二工艺参数的超短脉冲激光能够在柔性基底表面的特定位置实现金属盐墨水中的金属粒子的还原生成金属氧化物，从而形成传感电极。

16、通过以上技术方案，本发明能够取得如下有益的技术效果。

17、本发明利用超短脉冲激光直写技术一步制备导电电极和传感电极，制备效率高。

18、本发明利用激光束扫描的高柔性，能够在柔性基底表面任意位置还原金属离子，实现传感器结构的设计与制造。

19、本发明利用超短脉冲激光脉宽极短和能量精确可控的特点对金属和金属氧化物可控还原，能够实现电极材料的调控。

技术特征：

1.一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述金属盐包括cu(no3)2、cucl2、gacu、cu(choo)2、ni(no3)2、nicl2、ni(ch3 coo)2中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述还原剂包括乙二醇、丙三醇、丁四醇中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述柔性基底包括pi基底、pet基底、pc基底或pdms基底中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述柔性基底厚度为1-1000μm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述激光直写的激光脉宽的数量级为10-12-10-15s，重复频率为100khz-100 mhz。

7.根据权利要求6所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述第一工艺参数包括：扫描速度约为100mm/s。

8.根据权利要求6所述的一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，其特征在于，所述第二工艺参数包括：扫描速度约为400mm/s。

9.一种柔性湿度传感器，包括柔性基底、金属导电电极和金属氧化物传感电极，所述的金属导电电极和金属氧化物传感电极均置于所述柔性基底的表面；其特征在于，所述金属导电电极和所述金属氧化物传感电极都具有多孔纳米结构，并且都采用超短脉冲激光直写方法的工艺制造。

10.一种用于制备柔性湿度传感器的装置，其特征在于，包括激光器和扫描振镜系统，所述扫描振镜系统能够输出具有第一工艺参数的超短脉冲激光，以及具有第二工艺参数的超短脉冲激光；

技术总结本发明提供了一种柔性湿度传感器超短脉冲激光直写方法，包括以下步骤：S1：制备金属盐墨水，金属盐墨水包括金属盐、还原剂和去离子水；S2：提供柔性基底，将所述金属盐墨水覆盖在柔性基底表面，将超短脉冲激光聚焦在柔性基底和金属盐墨水形成的界面；通过第一工艺参数的激光直写在柔性基底表面的特定位置实现金属离子的还原沉积生成金属，从而形成导电电极；通过第二工艺参数的激光直写在柔性基底表面的特定位置实现金属离子的还原沉积生成金属氧化物，从而形成传感电极；S3：清洗激光作用后的柔性基底表面，得到导电电极和传感电极均集成在柔性基底表面的湿度传感器。本发明制备效率高，能够实现传感器结构的设计与制造，以及电极材料的调控。技术研发人员：黄婷,邢羚榕,肖荣诗,崔梦雅受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/1/13