柔性压电-OTFT传感系统的电喷印制备

摘要

柔性传感系统是新一代柔性电子领域的重大发展方向;结构、材料的特殊性使得传统的微纳加工工艺无法满足其工业化生产的需求;因而亟需提出与柔性基板/有机材料相兼容的大面积、数字化的柔性加工工艺;制备复杂微纳结构以完成传感系统元件的制造。本学位论文在系统性研究电流体直写工艺的基础上;实现自相似波纹结构、圆截面阵列化直线纤维等复杂微纳结构的可控制造;在此基础上制备了高性能柔性有机薄膜晶体管阵列与超拉伸压电传感器;完成了柔性压电-OTFT传感系统的设计与应用;主要研究工作与创新之处在于： （1）建立电流体喷印的“漏电”模型;研究了带电射流在电场作用下的变形机理;探索了射流速度与工艺参数之间的关系;指导电流体的可控喷印制造。在传统的介电模型基础上引入有机溶液的“漏电”性质;完备流体所受的电场力;实现精确的仿真模型的建立;模拟了感应电荷存在的情况下射流的空中飞行行为。揭示了电喷印过程中射流速度与工艺参数之间的变化规律;为实现可控的力控/螺旋电流体直写工艺奠定基础; （2）在电喷印制造微纳米沟道的基础上;实现了大面积柔性有机薄膜晶体管阵列的制备。运用可控的电流体直写工艺实现直线结构纤维的基础上;与表面处理、镀膜工艺相结合;实现了微纳米尺度沟道的无光刻、数字化制造;并系统研究了直线纤维直径与工艺参数之间的作用规律;揭示了纤维直径与沟道尺寸之间的对应关系。最后在制备微纳米沟道的基础上;实现了迁移率可达0.62 cm2V?1s?1;开关比最高为2.47 ×106的柔性有机薄膜晶体管的制备;且其最小弯曲半径为 2.75mm。同时研究了工艺参数与测试条件与其电学性能之间的规律关系;验证工艺的稳定性与可靠性。再者结合PVDF自身的介电特性;设计并完成了柔性双栅有机薄膜晶体管的制备;并在借助顶栅同步调控晶体管的同时;使得电荷迁移率提升了2.7倍;为复杂电子系统所需的逻辑放大电路提供了极为优异的制造方法; （3）在电喷印制造自相似波纹结构的基础上;实现了超拉伸压电传感器的制备。运用可控的电流体直写工艺实现波纹结构纤维的基础上;借助预拉伸的柔性基板转印波纹结构纤维;实现了自相似结构纤维的制备;极大的提升了纤维结构的可拉伸性。同时建立了纤维在预拉伸基板上产生屈曲现象的理论模型;分析了预应变大小、方向对波纹结构纤维屈曲行为的影响。最后利用具备压电性能的PVDF材料制备的自相似波纹结构的纤维;实现了超拉伸压电传感器的制备;其最高可拉伸形变为320%。同时研究了PVDF在电喷印过程中的极化程度与工艺参数之间的关系;压电传感器在不同外加载荷频率、大小条件下的压电响应;实现载荷/位移的同步监测;而且最小可感知0.2mg的纸片的冲击载荷; （4）在制备出柔性 OTFT 与超拉伸压电传感器的基础上;实现了柔性压电-OTFT传感系统的设计与应用。通过超拉伸压电传感器直接用于人体运动、呼吸等方面监测的系统性测试;发现其输出信号具有微弱、易被干扰等缺陷;结合柔性OTFT的放大特性;进行了柔性压电-OTFT 传感系统的设计与搭建;在原有的信号基础上可实现最高 1000倍的放大;并且可以有效监测人体关节运动的速率、步频等关键参数;实现了柔性压电传感系统的实际运用。

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