青岛理工大学兰红波/张广明Sens. Actuators B Chem：基于非接触电场驱动微3D打印高分辨、大高度插指电极传感器

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-29 10:00

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叉指电极传感器以其体积小、响应快、无辐射、制造成本低等优点被广泛应用在环境监测、生物医学、食品安全等领域。随着科学技术的进步，对传感器的灵敏度和精度提出了更高的要求。叉指电极传感器可以通过优化线宽、线距、线高等结构参数来提高其灵敏度。然而，现有技术制造高分辨率（小线宽、线距）、大高度叉指电极仍面临挑战。

基于此，青岛理工大学兰红波、张广明教授团队提出了一种利用非接触式电场驱动（NEFD）3D打印制备叉指电极的新方法，获得了高分辨率（线宽、线距10 μm）、大高度（线高20 μm）的叉指电极，并成功证明了传感器对超低浓度硫酸盐溶液（0.01-0.04 ppm）的检测能力。首先，阐述了非接触电场驱动打印原理、电荷分布、两种叉指电极打印策略（“对称打印”、“断气打印”）以及多层结构电荷分布情况（图1）;然后，为实现高分辨率，针对两种打印策略分别对其线宽、线距一致性进行研究。发现“对称打印”在线距较小范围内电荷吸引会导致一侧线宽变大，采用“断气打印”解决了这一问题(图2-图3)，而“断气打印”在线距较小范围会产生射流偏转，针对这一问题提出了预设打印余量的方法使射流回归到正常的打印轨迹上（图4-图5）;为实现大高度，通过优化每层银线的抬升高度制备出多层结构的叉指电极（图6-图7）。最后，通过测试不同结构参数的叉指电极传感器对硫酸盐溶液的反应，验证了高分辨率、大高度叉指电极传感器对同一浓度溶液（0.1 ppm）以及不同低浓度溶液（0.01-0.04 ppm）都具有更高的灵敏度(图8-图9）。文章提出的打印方法为制备高灵敏度、无辐射、低成本的叉指电极传感器提供了一条新途径。

相关研究成果以“High resolution, large height interdigital electrodes fabricated by non-contact electric-field-driven micro-3D printing”为题，发表在《 Sensors and Actuators: B. Chemical 》期刊上。

图1. (a) NEFD微3D打印原理图；(b)锥喷流与基材电荷分布示意图；(c)对称打印策略；(d)断气打印策略；(e)多层叉指电极打印示意图。

图2.“对称打印”叉指电极的线宽一致性：(a)大线距叉指电极的线宽一致性；不同线距叉指电极左右电极的线宽统计：(b)线宽20 μm；(c)线宽45 μm；(d-k)不同参数叉指电极SEM图像。

图3. “对称打印”原理图：(a)小线距和(b)大线距；(c, d)采用“对称打印”制备的不同参数叉指电极的线宽一致性；(e)线宽10 μm “断气打印”叉指电极的线宽一致性；(f-h)不同参数“断气打印”叉指电极SEM图像。

图4. 喷流偏转示意图：(a)小线距，(b)大线距；(c)“对称打印”不同线宽叉指电极的线距一致性；(d) 银线相对位置示意图；(e)不同线宽银线对射流偏转影响；(f-h)线宽分别为10 μm、20 μm、40 μm的大线距叉指电极SEM图像。

图5. 小线距一致性：(a)线宽10 μm、(b)线宽20 μm、(c)线宽40 μm的；小线距SEM图像：(d)线宽10 μm、(e)线宽20 μm、(f)线宽40 μm；不同预设余量下的线距一致性：(g)线宽和线距分别为10 μm和(h) 20 μm；(i)不同参数的叉指电极的最佳预设余量；在预设余量优化后SEM图像：(j)线宽10 μm、(k)线宽20 μm、(l)线宽40 μm。(图中红色数字为线距，单位为μm)。

图6. 喷嘴提升高度对打印层数的影响：(a)线宽、(b)高宽比、(c)高度差；(d)提升高度为0 μm的多层银线截面SEM图像；(e)每层提升高度为9 μm，8层银线的SEM图像；(f) 每层提升高度为7 μm，8层银线的SEM图像。

图7. (a)不同层数银线截面SEM图像；叉指电极截面SEM图像：(b)一层，(c)八层。

图8. 叉指电极阻抗检测图：(a)不同线宽/线距、(b)不同线高；频率为1.414 Hz ~ 10000 Hz时叉指电极的阻抗变化率：(c)不同线宽/线间距、(d)不同线高。

图9. 频率为10Hz ~ 10000Hz的叉指电极低浓度阻抗测试：(a)线宽20 μm，线距20 μm，线高5 μm；(b)线宽10 μm，线距10 μm，线高5 μm；(c)线宽10 μm，线距40 μm，线高20 μm；2062 Hz频率时叉指电极浓度检测拟合曲线：(d)线宽20 μm、线距20 μm、线高5 μm；(e)线宽10 μm、线距10 μm、线高5 μm；(f)线宽10 μm、线距40 μm、线高20 μm。

来源：高分子科学前沿

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