CN114336112A - 一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，包括：制备包括柔性材料基底和覆在所述柔性材料基底上的金属导电薄膜I的柔性导电材料；制备包括硬质材料基底、弹性体层、弹性体层上的金属导电薄膜II与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料；将柔性导电材料输出端的金属导电薄膜I与经改造的硬质导电材料的金属导电薄膜II接触，通过弹性体的自粘作用使两者衔接并导通。本发明利用弹性体材料的自粘特性，在无外加粘合剂室温下实现柔性导电材料与外界硬质信号传输端的衔接。该方法不仅简化了生产工艺，实现了软材料与硬材料的衔接且有效保障了整个传感器的导电性、拉伸性，获取的电生理信号和应变信号更稳定。

Description

一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法

技术领域

本发明属于柔性电子领域，具体涉及一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法。

背景技术

杨氏模量是衡量材料力学性能的重要指标之一。通常来讲，杨氏模量越大，材料硬度越大，相反则硬度越小。通常将杨氏模量较大、不易弯折或拉伸的材料称作硬质材料如金属块等，杨氏模量相对较小并且具有可弯折可拉伸的材料即被称作柔性材料如部分高分子材料等。由于杨氏模量差距较大，柔性材料与硬质材料受相同外力时所产生的形变量不同，由柔性材料与硬质材料组成的软硬衔接接口此时往往会分离。

生活中运用到软硬衔接接口的情况有很多，例如人机交互与生物界面传感等领域。人体皮肤与肌肉在完成每一个动作的过程中会产生不同程度的形变，如弯腰过程中腰部皮肤很容易达到量达40％以上的形变量。因此在测量肌电、运动形变等体表生理信号时所用到的体表检测设备需适应机体的较大形变，应在较大形变时依然具有较好的电学性能和力学性能，因此用于体表的检测设备需具有柔性可拉伸性。此外，检测信号源较深的体内生理信号，如检测颅内脑电信号时，柔性可拉伸检测设备比硬质设备与监测点之间有更好的力学匹配性。硬质检测设备与柔软的生物组织间不仅贴附性差、且杨氏模量差值大，这种机械失配不可避免地会在长期植入中引起组织损伤或炎症，进而影响对生理信号的准确测量。因此，柔性可拉伸检测设备在体表和体内生物生理信号检测中都具有广泛的应用前景。但是不论运用何种柔性材料作为检测设备，在柔性材料与外界硬质信号传输导线之间，一定存在软硬衔接接口。与此同时，软硬衔接接口不仅需要优异的拉伸与抗撕裂等力学性能，同时也应满足其他需求。正如用作生物界面的柔性检测设备的功能之一即是导电性，软硬衔接接口也需要较好的导通性。因此，研究柔性材料与硬质材料之间的衔接方式具有非常实际的应用价值。

然而，现阶段常见的软硬界面衔接方式主要是焊接或用粘合剂粘结。焊接填充材料应用温度较高，对传统的低玻璃化转变温度弹性材料的使用带来了巨大的困难。此界面中常用的焊锡等材料变得不适用，而由复合材料制备的导电粘合剂常常伴有电阻率高、电磁波屏蔽性能差、导电稳定性差及挠曲性欠佳等问题，使得电信号在传输过程中大大损失。

综上，软硬衔接接口所涉及的力学因素较多，如弹性模量、硬度、断裂强度等。复杂的力学因素使电信号在软硬衔接接口处传输时很容易出现问题。因此处理好力学性能差距甚大的软硬界面的衔接问题，不仅可提高整个传感设备的稳定性、机械匹配性，而且可大大提高导体连接的状态，降低电信号在传输过程中不必要的损失，进而提高整个设备的质量与使用寿命。

中国专利CN103118505A公布了一种同时具备有软板与硬板优点的PCB板，虽然解决了爆板及孔壁分离的情况，但是需要棕化处理、开窗处理、粘结环氧树脂半固化压片等工序，制备过程复杂且不环保。中国专利CN106550539A公布了一种工序简单成本低的软硬板制备方法，即运用激光焊接法或超声波焊接法将柔性电路板与印刷电路板结合，虽然生产步骤大大缩减，但是并未考虑到柔性材料自身的物理性质，如高温环境会造成材料变性进而失去力学与电学耐受性等。因此上述方法不适用于多数玻璃化转变温度低的柔性材料。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，该软硬衔接方法同时可以保证较好的电学性能。具体技术方案如下：

本发明第一方面提供一种柔性导电材料与硬质导电材料间的软硬衔接接口，所述软硬衔接接口包括柔性导电材料输出端和与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料；

所述柔性导电材料包括柔性材料基底和覆在所述柔性材料基底上的金属导电薄膜I；

与所述柔性材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料自下而上包括硬质材料基底、弹性体层、弹性体层上的金属导电薄膜II，所述弹性体层以嵌合或黏附的方式覆在硬质材料基底上；

所述软硬衔接接口自下而上为硬质材料基底、弹性体层、金属导电薄膜II、金属导电薄膜I、柔性材料基底；

所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II连接；

与所述柔性材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料上的弹性体层与所述柔性导电材料的柔性材料基底所用弹性体材料相同，且所述体弹性体材料具有自粘特性。

进一步地，所述柔性导电材料为柔性电极。

进一步地，所述金属导电薄膜II与经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料联通；

优选地，所述经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料为硬质导电材料自身包含的导电填料；或，所述经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料为扩大至整个硬质材料基底上的金属导电薄膜II。

进一步地，一个软硬衔接接口可以包括多个导电通道，以实现高密度柔性导电材料与硬质导电材料之间的衔接。

本发明第二方面提供一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，所述硬质导电材料为自制，所述衔接方法包括如下步骤：

配制弹性体溶液A备用，所述溶液的溶剂(溶剂A)为能够溶解硬质材料基底的溶剂；

在硬质材料基底旋涂所述弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到嵌合弹性体层的硬质材料基底，在弹性体层上沉积金属导电薄膜II，得到经改造的硬质导电材料；

用所述弹性体溶液制备柔性材料基底，如可将所述弹性体溶液旋涂到疏水的玻璃上，待溶剂挥发后即得柔性材料基底，在柔性材料基底上沉积金属导电薄膜I，制得柔性导电材料；

将柔性导电材料输出端的金属导电薄膜I与经改造的硬质导电材料的金属导电薄膜II接触，通过弹性体的自粘作用使两者衔接并具有导通性。

本发明的上述技术方案中，自制硬质导电材料的制备包括如下步骤：首先，选取可以被上述溶剂A溶胀的硬质材料制备成具有一定形状的硬质材料基底，该形状可以满足衔接需求(硬质材料基底与柔性导电材料衔接时的形状匹配，硬质导电材料与电子设备如电脑之间衔接的形状匹配，如USB接口形状等)。在硬质材料基底旋涂所述弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到嵌合弹性体层的硬质材料基底。在硬质材料基底的弹性体层上沉积金属导电薄膜(导电薄膜形状通过金属沉积前在上述复合基底上覆盖掩模板来实现)，即得自制硬质导电材料。

本发明的上述技术方案中，金属导电薄膜I的形状可通过金属沉积前在柔性材料基底上覆盖掩模板来实现。

本发明的上述技术方案中，所述柔性导电材料与硬质导电材料之间的衔接面积视需求而定。

本发明第三方面提供一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，所述硬质导电材料为商用硬质导电材料，所述衔接方法包括如下步骤：

配制弹性体溶液B，所述溶液的溶剂(溶剂B)为不溶解商用硬质导电材料基底的溶剂；

在商用硬质导电材料基底的一端，即待与柔性导电材料衔接的一端，旋涂所述弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到弹性体层-硬质材料基底；或，单独制备弹性体层后转移覆盖在商用硬质导电材料基底的一端上，得到弹性体层-硬质导线基底；在弹性体层上沉积金属导电薄膜II，所述金属导电薄膜II与商用硬质导电材料基底的导电填料联通，得到经改造的硬质导电材料；

用所述弹性体溶液制备柔性材料基底，如可将所述弹性体溶液旋涂到疏水的玻璃上，待溶剂挥发后即得柔性材料基底，在柔性材料基底上沉积金属导电薄膜I，制得柔性导电材料；

将柔性导电材料输出端的金属导电薄膜I与经改造的硬质导电材料的金属导电薄膜II接触，通过弹性体的自粘作用使两者衔接并具有导通性。

本发明的上述技术方案中，金属导电薄膜I的形状可通过金属沉积前在柔性材料基底上覆盖掩模板来实现。

进一步地，所述商用硬质导电材料为印刷电路板或其他硬质导线板。

本发明上述衔接方法中，所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II为图案化金属导电薄膜，即具有一定形状(如条带状阵列等)的金属导电薄膜以满足特定需求。金属导电薄膜厚度根据实际需要和效果而定。

本发明的上述衔接方法中，通过掩膜板遮盖实现图案化可实现多通道电极的衔接。

本发明的上述衔接方法中，硬质导电材料主要起到电信号传输的作用。

本发明的上述衔接方法中，包括但不局限于运用磁控溅射方法、热蒸镀镀膜法或转移印刷方法制备金属导电薄膜。

本发明第四方面提供所述软硬衔接接口或所述衔接方法在柔性传感器软硬界面衔接中的应用。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的软硬衔接接口利用弹性体材料的自粘特性，实现包含导电填料的柔性材料与包含导电填料的硬质材料之间的衔接。该软硬衔接接口有效保障了整个器件的导电性和力学性能。所获取的电信号和应变信号更稳定，促进柔性传感器在生物医疗和智能可穿戴等领域的应用。

本发明中柔性材料基底上的金属导电薄膜结构，在保持良好导电性能的同时，保留良好的自粘特性。

2、本发明所涉及的软硬衔接接口并未引入额外胶粘剂，仅仅运用弹性体的自粘特性而无需额外工序就可实现软硬界面良好的衔接，制备方法简单快速，且没有工业废物、废水生成，经济环保，制备工艺简单、耗时少、重复性高，便于规模化生产。

3、本发明涉及的经改造的硬质导电材料，弹性体层以嵌合或黏附的方式覆在硬质材料基底上。

本发明中采用溶于溶剂的硬质材料时，可实现硬质材料与自粘弹性体的嵌合，接触面不规整，脱嵌几率小。该嵌合面在保证硬质材料具有粘性的同时保证了其硬度，同时可以依据需求实现任意导电图案化。此外制备成类似USB接口的图案为硬质导线材料的形状设计与应用提供了一种新的思路。这优化了信号传输路径，提高了信号的质量。

4、本发明所制备的软硬衔接接口与包含导电填料的柔性材料本身相比，电阻并未明显增加，说明接口具有良好的导电性。该软硬衔接接口可大幅度减少电信号在传输过程中的损耗，增强信号传输的稳定性。

按照本发明软硬界面的衔接方式封装的柔性电子产品具有很好的形变导通能力，形变量可达柔性电极本身形变量的80％。

附图说明

图1为包含导电填料的柔性材料的正视(A)与截面示意图(B)；

图2为改造后的包含导电填料的硬质材料的正视(A)与截面示意图(B)；

图3为软硬衔接接口的正视(A)与截面示意图(B)；

图4为SEBS-Au膜柔性材料的正视(A)与截面示意图(B)；

图5为聚苯乙烯-SEBS-Au膜硬质材料的正视(A)与截面示意图(B)；

图6为聚苯乙烯-SEBS-Au膜硬质基底和SEBS-Au柔性电极组成的软硬衔接接口的正视(A)与截面示意图(B)；

图7为软硬衔接接口的实物图；

图8为聚苯乙烯-SEBS-Au膜硬质基底与SEBS-Au柔性电极组成的软硬衔接接口、SEBS-Au柔性电极拉伸过程中电学性能比较图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明，现参照下列实施例及附图进一步描述本发明。实施例仅用于解释而不以任何方式限制本发明。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。

实施例1

在本实施例中柔性导电材料又称包含导电填料的柔性材料；经改造的硬质导电材料又称改造后的包含导电填料的硬质材料。

图3为软硬衔接接口的正视(A)与截面示意图(B)，柔性导电材料与硬质导电材料之间的软硬衔接接口，包括柔性导电材料输出端和与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料。所述软硬衔接接口自下而上为硬质材料基底、弹性体层、金属导电薄膜II、金属导电薄膜I、柔性材料基底，所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II连接。

如图1，柔性导电材料包括柔性材料基底和覆在所述柔性材料基底上的金属导电薄膜I。

如图2，与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料自下而上包括硬质材料基底、弹性体层、弹性体层上的金属导电薄膜II，所述弹性体层以嵌合或黏附的方式覆在硬质材料基底上。

与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料上的弹性体层与所述柔性导电材料的柔性材料基底所用弹性体材料相同，且所述体弹性体材料具有自粘特性。

金属导电薄膜II与经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料，如导线，进行联通。

在一个具体的实施方案中，经改造的硬质导电材料自身包含导电填料，如导线，金属导电薄膜II与其联通即可。

在一个具体的实施方案中，经改造的硬质导电材料自身不包含导电填料，通过将金属导电薄膜II扩大至整个硬质材料基底，以金属导电薄膜II充当导电填料，实现柔性导电材料与硬质导电材料的导通性。

在一个具体的实施方案中，所述柔性导电材料为柔性电极。

在一个具体的实施方案中，一个硬质材料基底上沉积多个金属导电薄膜I以制备多导电通道的软硬衔接接口。

实施例2

本实施案例提供一种具有导电通道的柔性材料与改造的商用硬质材料之间软硬界面的衔接方法，具体包括如下步骤：

(1)配制弹性体溶液，备用，该溶液的溶剂为不能够溶解商用硬质材料的溶剂。通常使用的弹性体溶液浓度为15％～60％，具体依据实际需求确定。

所用弹性体材料具有自粘特性，例如可以为聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌段共聚物(SEBS)。

(2)在商用硬质材料基底与包含导电填料的柔性材料衔接的一端旋涂制备的弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到弹性体层-商用硬质材料基底。也可以通过单独制备弹性体层后转移覆盖在商用硬质材料上，制得弹性体层-商用硬质材料基底，此方法需确保硬质材料上的导线端裸露。

在弹性体层上沉积金属导电薄膜，并确保金属导电薄膜与商用硬质导电材料的导线联通，得到改造后的商用硬质材料。

(3)以所制备的弹性体溶液为柔性材料基底，沉积金属导电薄膜，制得具有导电填料的柔性材料。

(4)将柔性材料输出端的金属导电薄膜I与改造后的商用硬质材料的金属导电薄膜II接触，按压对接面，通过弹性体的自粘作用使柔性材料输出端与硬质材料衔接，同时导电薄膜I与II实现对接。

实施例3

本实施案例提供一种包含导电填料的柔性材料与自制包含导电填料的硬质材料之间软硬界面的衔接方法，具体包括如下步骤：

(1)配制弹性体溶液，备用，该溶液的溶剂为能够溶解硬质材料的溶剂。通常使用的弹性体溶液浓度为15％～60％，具体依据实际需求确定。所用弹性体材料具有自粘特性。

在本实施例中以SEBS为弹性体材料，以甲苯作为溶剂，以可溶于甲苯的聚苯乙烯作为硬质材料进行说明。SEBS与甲苯的质量比为1:7左右。

(2)在表面光滑平整的聚苯乙烯圆片上旋涂已制备好的SEBS-甲苯溶液。为旋涂更均匀，需等旋涂仪转速稳定后快速滴入SEBS-甲苯溶液。旋涂后放置在通风处中，静置待甲苯完全挥发，得到嵌合弹性体层的硬质聚苯乙烯基底，将圆形基底切割成所需形状后置于磁控溅射设备中，并用特定形状掩模板遮盖，在磁力溅射设备中溅射金，金膜厚度约为40μm(Au薄膜Ⅱ)，进而得到自制包含导电填料的硬质材料。自制包含导电填料的硬质材料自下向上依次包括聚苯乙烯-SEBS-Au膜，其正视与截面示意图如图5所示。

实施例中聚苯乙烯作为硬质材料基底不含有导线，将沉积的Au膜扩大至整个硬质材料基底，以Au膜充当硬质材料基底的导线，制得改造后的包含导电填料的硬质材料。进一步地，在硬质导线材料的另一端设置接口，联通商用硬质导线或直接与信号处理电子设备连接。

(3)将SEBS-甲苯溶液旋涂在已氟化处理的硅片上，静置待甲苯完全挥发，得到柔性材料基底。取用掩模板加盖在柔性材料基底上，用磁力溅射设备溅射Au，Au膜厚度约为40μm(Au薄膜Ⅰ)，即得到SEBS-Au膜的柔性导电材料，其正视与截面示意图如图4所示。

(4)将聚苯乙烯-SEBS-Au膜硬质材料和SEBS-Au柔性材料对接，对接时柔性材料的输出端的Au膜与硬质材料Au膜接触，重叠处轻轻按压至两者粘住即可，至此制备出了用弹性体材料SEBS自粘性优化了的软硬衔接接口，如图6所示。依靠弹性体自粘特性制备的软硬衔接口面具有较好的力学性能与电学性能。

聚苯乙烯-SEBS-Au膜硬质基底和SEBS-Au柔性电极的软硬衔接接口的实物图如图7所示。实物图中，硬质材料基底不含导线，将Au膜沉积至整个硬质材料基底，以Au膜充当硬质材料基底的导线。

用拉力机检测本实施例制备的软硬衔接接口与未衔接的SEBS-Au柔性电极的拉伸性与导电性，如图8所示。相对于未封装的柔性电极来说，此软硬衔接接口性能并未有大幅度降低，导电拉伸率为柔性电极的80％，且在拉伸过程中，软硬衔接接口并没有脱嵌的痕迹。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种柔性导电材料与硬质导电材料间的软硬衔接接口，其特征在于，所述软硬衔接接口包括柔性导电材料输出端和与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料；

所述柔性导电材料包括柔性材料基底和覆在所述柔性材料基底上的金属导电薄膜I；

与所述柔性导电材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料自下而上包括硬质材料基底、弹性体层、弹性体层上的金属导电薄膜II，所述弹性体层以嵌合或黏附的方式覆在硬质材料基底上；

所述软硬衔接接口自下而上为硬质材料基底、弹性体层、金属导电薄膜II、金属导电薄膜I、柔性材料基底；

所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II连接；

与所述柔性材料输出端衔接的经改造的硬质导电材料上的弹性体层与所述柔性导电材料的柔性材料基底所用弹性体材料相同，且所述体弹性体材料具有自粘特性。

2.根据权利要求1所述的软硬衔接接口，其特征在于，所述柔性导电材料为柔性电极。

3.根据权利要求1所述的软硬衔接接口，其特征在于，所述金属导电薄膜II与经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料联通。

4.根据权利要求3所述的软硬衔接接口，其特征在于，所述经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料为硬质导电材料自身包含的导电填料；或，所述经改造的硬质导电材料的另一端的导电填料为扩大至整个硬质材料基底上的金属导电薄膜II。

5.一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，其特征在于，所述硬质导电材料为自制，所述衔接方法包括如下步骤：

配制弹性体溶液，所述溶液的溶剂为能够溶解硬质材料基底的溶剂；

在硬质材料基底旋涂所述弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到嵌合弹性体层的硬质材料基底，在弹性体层上沉积金属导电薄膜II，得到经改造的硬质导电材料；

用所述弹性体溶液制备柔性材料基底，在柔性材料基底上沉积金属导电薄膜I，制得柔性导电材料；

将柔性导电材料输出端的金属导电薄膜I与经改造的硬质导电材料的金属导电薄膜II接触，通过弹性体的自粘作用使两者衔接并具有导通性。

6.一种柔性导电材料与硬质导电材料间软硬界面的衔接方法，其特征在于，所述硬质导电材料为商用硬质导电材料，所述衔接方法包括如下步骤：

配制弹性体溶液，所述溶液的溶剂为不溶解商用硬质导电材料基底的溶剂；

在商用硬质导电材料基底的一端旋涂所述弹性体溶液，待溶剂完全挥发，得到弹性体层-硬质材料基底；或，单独制备弹性体层后转移覆盖在商用硬质导电材料基底的一端上，得到弹性体层-硬质导线基底；在弹性体层上沉积金属导电薄膜II，所述金属导电薄膜II与商用硬质导电材料基底的导电填料联通，得到经改造的硬质导电材料；

用所述弹性体溶液制备柔性材料基底，在柔性材料基底上沉积金属导电薄膜I，制得柔性导电材料；

将柔性导电材料输出端的金属导电薄膜I与经改造的硬质导电材料的金属导电薄膜II接触，通过弹性体的自粘作用使两者衔接并具有导通性。

7.根据权利要求6所述的衔接方法，其特征在于，所述商用硬质导电材料为印刷电路板或硬质导线板。

8.根据权利要求5或6所述的衔接方法，其特征在于，所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II为图案化金属导电薄膜。

9.根据权利要求5或6所述的衔接方法，其特征在于，所述金属导电薄膜I和金属导电薄膜II运用磁控溅射、热蒸镀镀膜法或转移印刷方法制备。

10.权利要求1所述的软硬衔接接口、权利要求5所述衔接方法或权利要求6所述衔接方法在柔性传感器软硬界面衔接中的应用。

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