CN103219280B - 利用静电纺丝工艺制备延性电路互联结构的方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用静电纺丝工艺制备延性电路互联结构的方法，包括：通过静电纺丝装置向位于其喷头下方且沿着水平方向来回直线移动的硅片基板上喷射静电纺丝溶液，由此在基板上形成呈波形延伸且具备微纳米直径的图案；选取弹性衬底并执行清洁处理，然后对弹性衬底做拉伸处理；将处于拉伸状态的弹性衬底紧贴在形成有图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气后予以分离，使得硅片基板上的图案转印至弹性衬底表面；恢复弹性衬底的自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。本发明还公开了相应的产品及其应用。通过本发明，能够生成具备高延展性、高精度级的两级波纹结构，并尤其适用于延性电路互联结构大面积的可靠制造。
Description
技术领域
本发明属于延性电路制造领域，更具体地，涉及一种利用静电纺丝工艺制备延性电路互联结构的方法及产品。
背景技术
延性电路（strechable circuit）作为一种新兴电子技术，又称为可伸缩电路、柔性电路等，其不同于传统的硅基板电路，由于具备独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造等特点，因而在多个领域均具有广泛应用前景，可实现与服饰、皮肤的结合使其多功能化，能够覆盖在复杂形状表面和运动部件表面，具体运用譬如包括人造电子皮肤、仪表化人造膀胱、大面积传感器和驱动器等。考虑到延性电路经常需要响应构造的改变并在其变形极限范围内延伸，以充分适应它们的周围环境，因此需要对延性电路设置有可适当拉伸和弯曲的互联结构，以保证经过多次拉伸和松弛后仍保证完好。
为了制备延性电路的互联结构，现有技术中已经提出了各种解决方案。例如，Khang.D.Y等提出了一种制备方法（参见“A stretchable form ofsingle-crystal silicon for high-performance electronics on rubbersubstrates”，Science311(5758):208-212），其中首先采用传统光刻手段在硅基板上生成厚度在纳米至亚微米级别的单晶硅带，之后把单晶硅带转移到有一定拉伸预应变的弹性橡胶基材上，最后去除弹性橡胶基材的预应变，使其恢复到自然状态，则硅带受挤压会在垂直于基材方向发生屈曲变形，产生规则的、周期性可拉伸的波纹状结构。然而，这种直线纤维通过屈曲方式制备波纹互联结构的方法存在诸多不足：如光刻过程繁琐、波纹结构无法准确定位、可能呈现平面外屈曲等。
为了简化制备工艺，提高制备效率同时利于封装，CN102162176A中提出了一种利用静电纺丝来制备微纳波纹结构的方法，其中通过将静电纺丝高分子溶液经由喷头喷射出来，并经过电场作用落在柔性基板上以形成波纹结构。然而进一步的研究表明，该方法仍然存在以下的缺陷或不足：首先，所制得的波纹结构仅具备一级波纹，尤其作为互联结构运用于延性电路时，可延展性方面有所不足，当发生较大弹性变化时还是会发生断裂；其次，该方法所制得的波纹结构仅在波纹分布方向有较好的延展性，在其他方向尤其是与波纹分布方向垂直的方向上的延展性很差。因此，在相关领域中有必要对此互联结构件的制备工艺及其关键工艺参数作出进一步的改进，以获得更为符合各类应用场合的延性电路产品。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种利用静电纺丝工艺制备延性电路互联结构的方法及产品，其中通过对互联结构形成机理的进一步研究，相应调整制备工艺，可生成具备高延展性、高精度级的两级波纹结构，并尤其适用于延性电路互联结构大面积的可靠制造。
按照本发明的一个方面，提供了一种利用静电纺丝工艺制备延性电路互联结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）通过静电纺丝装置向位于其喷头下方且沿着水平方向来回直线移动的硅片基板上喷射静电纺丝溶液，由此在硅片基板上形成呈波形延伸且具备微纳米直径的图案；
（b）选取弹性衬底并执行清洁处理，然后对弹性衬底做拉伸处理；
（c）将通过步骤（b）处理后处于拉伸状态的弹性衬底紧贴在形成有所述图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气后予以分离，使得硅片基板上的图案转印至弹性衬底表面；
（d）恢复弹性衬底的自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。
作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述静电纺丝装置的工作电压被设定1.5KV～3KV，且其喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为10mm～30mm。
作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述硅片基板的运动速度被设定为100mm/s～400mm/s。
作为进一步优选地，在步骤（b）中，所述弹性衬底优选为正方形，它的四个角分别被向外拉伸相等的距离。
作为进一步优选地，所述弹性衬底各个边的被拉伸量△L1与弹性衬底自身对角线长度变化量△L2之间满足下列表达式：
作为进一步优选地，在步骤（c）中，选取弹性衬底的中央区域来转印硅片基板的静电纺丝图案，并使得波形延伸的图案沿着弹性衬底的对角线而分布。
作为进一步优选地，在步骤（c）中，还可以在弹性衬底上设置粘性的网格，并使得衬底表面上除粘结点之外的其他区域不具备粘性，然后将弹性衬底贴在在硅片基板上执行转移过程。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的延性电路互联结构产品。
作为进一步优选地，所述互联结构的整体图案呈正弦波或方波形状，且其线条本身为螺旋状或波形。
按照本发明的又一方面，还提供了所述延性电路互联结构产品在延性电路、生物传感器、可拉伸的太阳能电池等柔性电子器件制备过程中的应用。
总体而言，按照本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
1、通过采用静电纺丝工艺，溶液将在电场作用下不断拉伸形成微纳米级直径的纤维，并呈螺旋形下降喷射到基板表面形成各类第一级波形图案；此外，通过弹性衬底的收缩作用可在第一级波形图案的基础上产生第二级波形图案，由此获得整体呈波形而且在大波形上还形成各类小波形的多级波纹结构；相应地，可获得延展性更强的产品，并尤其适用于延性电路互联结构的用途；
2、按照本发明所制得的两级波纹互联结构均处于一个平面上，因此与现有技术相比，不会出现平面外屈曲，有利于后续封装工序，而且整体结构分布均匀，分辨率高；
3、通过对制备工艺中的一些关键工艺条件譬如静电纺丝装置工作电压值、基板移动速度以及弹性衬底的拉伸处理和粘性网格处理等进行研究改进，可以根据需求制得各类呈现两级波形的图案，特别是能够对第二级波形的最长波长及其分布均匀性进行控制，并具备更高的可伸缩性；
4、按照本发明的制备方法整体工艺流程简单、便于操作，可直接在常规环境中加工，同时可结合阵列化和卷到卷的工艺实现大面积快速制造，因此在降低成本和提高制造效率方面均具备优势。
附图说明
图1是按照本发明用于制备延性电路互联结构的制造装置的主体结构示意图；
图2是按照本发明用于制备延性电路互联结构的方法流程图；
图3是用于显示硅片基板处于不同移动速度时所对应形成的一级波形图案的示意图，其中图3a是硅片基板处于100mm/s时对应形成的波形图案，图3b是硅片基板处于200mm/s时对应形成的波形图案，图3c是硅片基板处于300mm/s时对应形成的波形图案，图3d是硅片基板处于400mm/s时对应形成的波形图案；
图4是用于显示弹性衬底收缩前后的状态对比图，其中图4a是收缩前的状态，图4b是收缩后的状态；
图5是用于示范性显示转印至弹性衬底上的图案在衬底收缩前后的状态对比图，其中图5a是尚处于拉伸状态时弹性衬底表面上的图案，图5b是处于收缩/还原状态后弹性衬底表面上的图案；
图6是在转印过程中设置在弹性衬底上的粘性网格的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同元件或结构，其中：
1-流量泵 2-注射器 3-喷头 4-高压发生器 5-硅片基板 6-吸附平台 7-移动平台
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明用于制备延性电路互联结构的制造装置的主体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的延性电路互联结构的制造装置主要包括流量泵1、注射器2、高压发生器4、吸附平台6和移动平台7等，其中注射器2中充有譬如聚氧化乙烯PEO、PEDOT:PSS之类的静电纺丝溶液，并配备流量泵1，由此在流量泵的作用下将静电纺丝溶液微量精密地推动，并输送至与注射器一端相连通的喷头3。吸附平台6位于喷头3的喷射下方，它的上面吸附承载有硅片基板5，并通过与之相连的移动平台7沿着水平方向来回直线移动。高压发生器4的正极与金属材质的喷头3或注射器2相连，其负极与金属材质的吸附平台6相连，由此使静电纺丝溶液在电场作用下从喷头4向基板6的表面喷射，并呈螺旋状下降。
其具体工作机理为：极化后的高分子溶液在电场作用下形成射流，射流表面带电，如图2中所示，由于同种电荷互相排斥，射流形成“鞭动”，加速飞向基材，在空间形成螺旋状，此时若运动平台以合适速度单向移动，此螺旋状纤维喷印在硅基板上形成呈波形（譬如，正弦波、方形等）延伸的的单级（第一级）波纹图案。
此外，按照本发明的制备装置还配备清洁单元和拉伸机构等，该清洁单元用于对譬如PDMS的弹性衬底执行清洁处理，该拉伸机构用于将清洁后的弹性衬底沿其多个不同方向执行拉伸，然后将处于拉伸状态的弹性衬底紧贴在形成有静电纺丝图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气后予以分离，由此使得硅片基板上的图案转印至弹性衬底表面。在确定图案已经转印至弹性衬底表面或其中央标定区域之后，恢复弹性衬底的自然状态，由此在第一级波形图案的基础上还产生第二级波形图案，并获得整体呈波形形状、且其线条本身为螺旋状或波形的多级波纹结构。
下面将参照图2来具体描述按照本发明用于制备延性电路互联结构的方法流程：
首先可启动静电纺丝装置的流量泵，将注射器内的静电纺丝溶液推动并输送至喷头，接着通过调节高压发生器的电压，使得静电纺丝溶液带电，带电溶液在电场作用下打破与表面张力的平衡形成射流，从喷头加速向着硅片基板的表面飞去。在空间运动过程中，发生类似“鞭动”呈螺旋状下降，最终在硅片基板上形成呈波形延伸且具备微纳米量级直径的图案。
接着，选取譬如PDMS的四边形弹性衬底并执行清洁处理，在其中央区域标出一个标定区域，然后对弹性衬底做拉伸处理，同时尽量保证标定区域的拉伸变形比较规格；可以将弹性衬底的四个角加装在四角拉伸机构上，该拉伸机构的工作原理与四爪卡盘相类似，当用扳手扳动小锥齿轮时，四角会沿着半径方向移动相等距离。此弹性衬底拉伸前后的状态对比可参照图4a和4b。
接着，使弹性衬底保持拉伸状态不变，并将其紧贴在形成有静电纺丝图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气后予以分离，使得硅片基板上的图案转印至弹性衬底表面。分离速度应尽快，并尽量使波纹图案落在弹性衬底标定区域内。
最后，可反向旋转扳手，使弹性衬底的四角向中心移动以恢复弹性衬底的自然状态，挡弹性衬底恢复自然状态后，在其表面上将呈现整体呈波形而且在大波形上还形成各类小波形的多级波纹结构，由此制得所需的延性电路互联结构。
按照本发明的一个优选实施例，在静电纺丝过程中，硅片基板的运动速度被设定为100mm/s～400mm/s。这是因为如图3a-3d中所示，硅片基板的运动速度是影响第一级波形图案具体形状的重要因素。因此经过较多的比较测试，将硅片基板的运动速度设定为上述范围，以便获得各种所需的第一级波形形状，并有助于第二级波形图案的生成，由此根据不同需求获得不同形状和可拉伸比的延性电路互联结构。波形图案在衬底收缩前后的状态对比可具体参照图5a和5b。
在本发明中，优选采用弹性衬底的中央区域来转印硅片基板的静电纺丝图案，并使得波形延伸的图案沿着弹性衬底的对角线而分布。这样，可保证弹性衬底的变形比较规则，进而使得较好的两级波形图案。
按照本发明的另外一个优选实施方式，所述静电纺丝装置的工作电压被设定为1.5KV～2KV，且其喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为15m～20mm。这样可以获得直径相对较大的第一级波形图案，并可通过此直径控制来间接控制第二级波形图案的最长波长；此外，所获得的两级波形互联结构还具备高延展性、高精度级的特点。
除了通过调节静电纺丝装置的工作电压、以及喷头与硅片基板之间的间距这一方式之外，本发明中还研究出另外一种对第二级波形图案的最长波长进行控制的方式，也即在弹性衬底上设置粘性的网格，并譬如通过氧等离子或紫外臭氧处理使得衬底表面上除粘结点之外的其他区域不具备粘性，然后将弹性衬底贴在在硅片基板上执行转移过程。通过以上方式，由于弹性衬底仅在网格的各个粘结点上具备粘性，其余区域不具备粘性，这样转印后的图案仅通过网格与弹性衬底相粘结，而两个相邻粘结点之间的间距决定了第二级波形的最长波长。
此外，研究发明，当弹性衬底仅沿着某一个方向收缩时，沿该方向的波形图案振幅最大，而波形图案在垂直于该方向的方向上振幅最小；为了使得弹性衬底能够沿着以上两个相互垂直的方向均能均匀收缩，进而保证产生的第二级波形图案的振幅更为均匀，因此本发明中用于转印静电纺丝图案的弹性衬底优选为正方形，并且它的四个角分别被向外拉伸相等的距离。在一个优选实施例中，所述弹性衬底各个边被拉伸的变化量△L1与弹性衬底自身对角线长度变化量△L2之间满足下列表达式
为了进一步具体解释说明本发明，以下给出了四个实施例。
实施例1：
A：配置重量百分比浓度为10%的巨氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；将上述溶液注入注射器，注射器的金属喷头内径为0.8mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，高压发生器的负极与吸附平台相连，喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为15mm，硅片基板放置在吸附平台上并通过移动平台以100mm/s的速度沿着水平方向运动，同时施加1.5KV的工作电压执行静电纺丝；
B：选取40X40mm的干净、新鲜的弹性PDMS衬底，并在其中心标定出20X20mm的中央区域。将该衬底夹装到拉抻机构上并执行拉伸处理；
C：将处于拉伸状态的PDMS衬底紧贴在已形成有波形图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气，尽量使波形图案处于弹性衬底的标定中央区域,同时使得波形延伸的图案沿着PDMS衬底的对角线而分布；然后迅速将硅片与PDMS衬底予以分离，使得硅片基板上的图案转印至PDMS衬底表面；
D：移除PDMS衬底与拉伸机构的连接使恢复至自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。
实施例2
A：配置重量百分比浓度为6%的PEDOT:PSS导电溶液，在20℃下使用磁力搅拌器搅拌15小时，静止2小时；将上述溶液注入注射器，注射器的金属喷头内径为0.6mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为20mm，高压发生器的负极与吸附平台相连，硅片基板放置在吸附平台上并通过移动平台以200mm/s的速度沿着水平方向运动，同时施加1.8KV的工作电压执行静电纺丝；
B：选取40X40mm的干净、新鲜的弹性PDMS衬底，并在其中心标定出20X20mm的中央区域。将该衬底夹装到拉抻机构上并执行拉伸处理；
C：将处于拉伸状态的PDMS衬底紧贴在已形成有波形图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气，尽量使波形图案处于弹性衬底的标定中央区域,同时使得波形延伸的图案沿着PDMS衬底的对角线而分布；然后迅速将硅片与PDMS衬底予以分离，使得硅片基板上的图案转印至PDMS衬底表面；
D：移除PDMS衬底与拉伸机构的连接使恢复至自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。
实施例3
A：配置重量百分比浓度为10%的巨氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；将上述溶液注入注射器，注射器的金属喷头内径为0.6mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为25mm，高压发生器的负极与吸附平台相连，硅片基板放置在吸附平台上并通过移动平台以300mm/s的速度沿着水平方向运动，同时施加2KV的工作电压执行静电纺丝；
B：选取40X40mm的干净、新鲜的弹性PDMS衬底，并在其中心标定出20X20mm的中央区域。将该衬底夹装到拉抻机构上并执行拉伸处理；
C：将处于拉伸状态的PDMS衬底紧贴在已形成有波形图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气，尽量使波形图案处于弹性衬底的标定中央区域,同时使得波形延伸的图案沿着PDMS衬底的对角线而分布；然后迅速将硅片与PDMS衬底予以分离，使得硅片基板上的图案转印至PDMS衬底表面；
D：移除PDMS衬底与拉伸机构的连接使恢复至自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。
实施例4
A：配置重量百分比浓度为6%的PEDOT:PSS导电溶液，在20℃下使用磁力搅拌器搅拌15小时，静止2小时；将上述溶液注入注射器，注射器的金属喷头内径为0.8mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为30mm，高压发生器的负极与吸附平台相连，硅片基板放置在吸附平台上并通过移动平台以400mm/s的速度沿着水平方向运动，同时施加3KV的工作电压执行静电纺丝；
B：选取40X40mm的干净、新鲜的弹性PDMS衬底，并在其中心标定出20X20mm的中央区域。将该衬底夹装到拉抻机构上并执行拉伸处理；
C：在处于拉伸状态的PDMS衬底上设置如图6中所示的粘性网格，并通过氧等离子体处理使得衬底表面上除网格粘结点之外的其他区域不具备粘性，然后将弹性衬底贴在在硅片基板上，尽量使波形图案处于弹性衬底的标定中央区域,同时使得波形延伸的图案沿着PDMS衬底的对角线而分布；然后迅速将硅片与PDMS衬底予以分离，使得硅片基板上的图案转印至PDMS衬底表面；
D：移除PDMS衬底与拉伸机构的连接使恢复至自然状态，由此制得所需的延性电路互联结构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用静电纺丝工艺制备具备两级波纹结构的延性电路互联结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)通过静电纺丝装置向位于其喷头下方且沿着水平方向来回直线移动的硅片基板上喷射静电纺丝溶液，该静电纺丝溶液在电场作用下呈螺旋状下降，其中静电纺丝装置的工作电压被设定为1.5KV～3KV，喷头与硅片基板之间沿着高度方向的间距为10mm～30mm，并且硅片基板的移动速度被设定为100mm/s～400mm/s，由此在所述硅片基板上形成呈单级波形延伸且具备微纳米直径的图案；
(b)选取弹性衬底并执行清洁处理，然后对该弹性衬底沿其多个不同方向做拉伸处理；
(c)将通过步骤(b)处理后处于拉伸状态的所述弹性衬底紧贴在形成有所述图案的硅片基板上，挤出两者接触面之间的空气后予以分离，使得所述硅片基板上的图案转印至所述弹性衬底的表面；
(d)在所述图案已转印至所述弹性衬底的表面之后，恢复所述弹性衬底的自然状态，由此通过弹性衬底的收缩作用在所述单级波形的基础上在同一平面内还产生第二级波形，进而获得所需的延性电路互联结构，该互联结构整体呈波形形状且其线条自身为螺旋状或者波形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述弹性衬底为正方形，它的四个角分别被向外拉伸相等的距离。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述弹性衬底各个边被拉伸的变化量△L1与弹性衬底自身对角线长度变化量△L2之间满足下列表达式：
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，还在所述弹性衬底上设置粘性的网格，并使得该弹性衬底的表面上除粘结点之外的其他区域不具备粘性，然后将该弹性衬底贴在在所述硅片基板上执行所述转印过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |