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华东理工大学
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高精度柔性传感器的设计与全印刷制备

2022-08-10 14:09:36
云上高博会 https://heec.cahe.edu.cn
所属领域:
先进制造与自动化
产品服务:

柔性传感器由柔性材料(基材)制成,兼具柔韧性和延展性,是柔性电子领域的关键元件之一。

一、项目进展

已注册公司运营

二、企业信息

企业名称 上海索夫特电子有限公司
企业法人 王保余 注册时间 2021.9.3
注册所在省市 上海市 组织机构代码 9130112MA7AH2J59Y
经营范围 技术服务、技术开发、电子专用材料销售、电力电子元器件制造、新材料技术研发
企业地址 上海市闵行区景联路389号9幢1层
获投资情况 团队投资50万元整

三、负责人及成员

姓名 学院/所学专业 入学/毕业时间
唐桤泽 物理学院/光电信息科学与工程 2020.9.1/2024.7.1
王保余 材料学院/复合材料与工程 2018.9.1/2022.7.1
潘一 材料学院/复合材料与工程 2018.9.1/2022.7.1
赵珩宇 材料学院/新能源材料与器件 2018.9.1/2022.7.1
杨扬 物理学院/应用物理学 2020.9.1/2024.7.1
曾剑涛 物理学院/应用物理学 2020.9.1/2024.7.1
范世昌 物理学院/光电信息科学与工程 2020.9.1/2024.7.1

四、指导教师

姓名 学院/所学专业 职务/职称 研究方向
张震 物理学院/物理化学 无/讲师 功能纳米材料的可控制备及其在印刷电子领域的应用

五、项目简介

柔性传感器由柔性材料(基材)制成,兼具柔韧性和延展性,是柔性电子领域的关键元件之一。项目通过开发功能型电子墨水,以印刷电子技术为手段,推动高精度柔性传感器增材制造,有效解决高精度和高阈值相悖、多模态信号串扰等技术痛点,助力柔性可穿戴电子发展,更好服务人类智能生活。

自主研发的高精度柔性传感器具有三大核心技术:①设计多级微结构、模块化传感电路,解决模态间的串扰,实现精度、阈值、模态以及稳定性的协同提高;②针对不同传感电路,开发温敏、压敏以及湿敏电子墨水,在填料组成、结构以及复配方面提升其信号响应性能;③采用喷墨打印、点胶打印和丝网印刷等高精度、高效率、节能的制备工艺,实现多模态柔性传感器的逐层叠印生产,同时提升多模态传感电路的印刷精度。所开发三模态柔性传感器实现温度、湿度、压力的同时采集,模态串扰率≤3%,成本降低70%,性能和逐层印制工艺国际领先,已发表4篇发明专利、1篇SCI论文和5项软著。

团队已与上中下游厂商建立良好合作关系,柔性温敏传感器完成中试、小规模试产(120万片),产值120万;温度、湿度双模态传感器应用于柔性红光面膜仪,与厦门银方签订意向订单;三模态传感器工艺较成熟,预计2023年实现量产。

项目优势:
成果类别 成果名称 相关团队成员 相关指导老师
双创竞赛 第十三届挑战杯上海市大学生创业计划竞赛银奖 唐桤泽、范世昌、曾剑涛、杨扬 张震、李莹、何宇瑶
双创竞赛 第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛上海赛区金奖 王保余、潘一、赵珩宇 张震、李莹
双创竞赛 第十七届“挑战杯”上海市大学生课外学术科技作品竞赛上海市一等奖 潘一、王保余、赵珩宇 张震、李莹、梁莹
双创竞赛 华东理工大学第十届“奋进杯”大学生创业计划竞赛特等奖 唐桤泽、范世昌、曾剑涛、杨扬 张震、李莹、何宇瑶
双创竞赛 华东理工大学第十四届“奋进杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 王保余、潘一、赵珩宇 张震、李莹
专利 一种具有填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用 唐桤泽、王保余 张震
专利 一种可见光下光催化的Janus硫化镉异质结的制备方法与应用 唐桤泽 张震
专利 一种低温烧结核壳型锡铋合金粉体及其制备方法与应用 赵珩宇 张震
论文 Yang Zhehan, Pan Yi, Zhao Hengyu, Yang Xiangmin, Liang Ying, Zhang Zhen*, Fang Bin*. Facile fabrication and low-temperature bonding of Cu@Sn-Bi core-shell particles for conductive pastes. RSC Advances, 2021, 11(42), 26408-26414. (DOI: 10.1039/d1ra02514g) 潘一、赵珩宇 张震
双创竞赛 华东理工大学第十四届“奋进杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 王保余、潘一、赵珩宇 张震、李莹
专利 一种具有填料浓度梯度分布的高分子PTC材料及其制备方法和应用 唐桤泽、王保余 张震
专利 一种可见光下光催化的Janus硫化镉异质结的制备方法与应用 唐桤泽 张震
专利 一种低温烧结核壳型锡铋合金粉体及其制备方法与应用 赵珩宇 张震
论文 Yang Zhehan, Pan Yi, Zhao Hengyu, Yang Xiangmin, Liang Ying, Zhang Zhen*, Fang Bin*. Facile fabrication and low-temperature bonding of Cu@Sn-Bi core-shell particles for conductive pastes. RSC Advances, 2021, 11(42), 26408-26414. (DOI: 10.1039/d1ra02514g) 潘一、赵珩宇 张震
市场概况:

一、经济效益

年度 销售收入
2022 10万元

二、社会效益

本项目坚持“四个面向”加快科技创新,并聚集“碳达峰、碳中和”绿色发展理念,致力于开发和推广更加高效智能的方案生产高精度柔性传感器,其作为柔性可穿戴电子产品的核心组件,对实现人、机、物交互沟通至关重要,可加速推进5G行业、人工智能、大数据、物联网、元宇宙等领域蓬勃发展。

本项目在功能电子墨水应用开发、柔性传感器多级微结构设计及增材制造工艺升级等方面开展了一系列创新性研究,成功推出三款功能型电子墨水,并应用于柔性传感器印刷制造,实现单模态PTC温敏传感器的量产,完成三模态传感器中试验证,正加速推进其落地、转化。作为可穿戴电子的核心组件,发展潜力巨大、市场空间广阔,对推动智慧医疗、促进人机交互等高科技领域发展有着较大的社会价值。

本项目在增材制造工艺方面做了大量探索,实现多层传感电路的逐层叠印,与减材制造相比,具有效率高、排放少等突出优势。同时喷墨打印等增材制造工艺有利于提升传感电器的精度,实现柔性传感器各性能的协同提升。微结构和印刷制备工艺的有机结合,符合绿色可持续发展理念,助力“碳达峰、碳中和”发展目标,推动我国柔性电子产业发展,加速由“中国制造”向“中国创造”转变。

商业模式:

优势:

本项目在多级微结构设计、功能型电子墨水开发、增材制造工艺升级以及高精度柔性传感器印刷制备方面开展了一系列创新性探索并取得优异成果,成功实现大学生双创成果的转化落地。

图1 解决方案

①在高精度柔性传感器结构设计方面,创新性提出多级微结构、模块化传感电路,解决了不同传感电路层间的模态串扰,实现精度、阈值、模态以及稳定性的协同提高,拓展应用领域。

图2 多级微结构设计

②在功能型电子墨水开发方面,发明还原法制备纳微米银包铜填料,银镀层光滑致密有效阻止铜内核氧化;采用复配法提高导电填料堆积密度,协同提升导电率,降低固化温度;通过设计导电填料的组成、结构以及复配,成功制备温敏、湿敏和压敏电子墨水。首次提出辐射交联技术锁紧印刷电路,提高电路与柔性基材间的结合力,表现出优异的耐揉搓洗涤特性,满足工业化应用要求。

图3 功能墨水开发

③在印刷制备工艺方面,采用丝网印刷、喷墨打印、点胶等增材制备工艺,绿色、高效,满足数字化、个性化定制需求。同时,凭借喷墨打印高精度特性,可同时提升柔性传感器的精度与集成度。所开发功能电子墨水广泛适用于温度、压力、汗液等传感器的印刷制备。

图4 增材制造工艺升级

相关创新成果对优化柔性传感器的增材制造,推动产业升级,助力柔性可穿戴电子产品高速发展具有重要意义,形成良好的社会和经济效益。

前景:

随着数字智能时代的到来,人、机、物的交互沟通变得尤为重要,柔性传感器是采集数据并转化为数字信号的核心元件,在运动社交、健康监测等领域具有广阔应用场景,全球市场需求已突破100亿美元,并保持15%年增长率高速发展。同时,对柔性传感器的可弯曲拉伸特性、穿戴舒适性、精度以及稳定性提出更高要求。本项目所开发的功能电子墨水,具有固化温度低、电导率高、与基材结合力强等突出优势。并采用喷墨打印、丝网印刷等增材制造工艺,可实现高精度柔性传感器的数字化与个性化定制。同时,相较于传统刻蚀法(减材制造),更加绿色、高效,与“碳达峰、碳中和”发展目标相契合。

同时,团队将充分发挥喷墨打印精度高的特性,提升柔性传感器的集成度和灵敏度,有望应用于电子皮肤、医疗保健,为下一代健康监护技术提供解决方案;感知、获取、分析和存储人体日常活动的生理数据,为人体健康状况提供必要、准确、长期的评估和反馈。

开发和转化团队在技术升级、商业模式、融资计划和战略规范方面制定了细致、合理、可持续的计划,并积极落实。综上所述,研究团队所开发的功能电子墨水以及印刷制备的高精度柔性传感器发展前景广阔。

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