CN103220882A - 一种延性电路互联结构的制造装置、方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种延性电路互联结构的制造装置，包括注射器、高压发生器、金属收集板和振动发生器，其中注射器中充有静电纺丝溶液并将静电纺丝溶液输送至金属喷头；金属收集板承载有基板位于喷头的喷射下方，并通过与之相连的运动平台一同沿着X轴或Y轴方向移动；振动发生器用于当金属收集板及所承载的基板沿着X轴或Y轴方向平移的同时，使其沿着与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动；高压发生器的正极与金属喷头相连，其负极与金属收集板相连。本发明中还公开了相应的制备方法及其产品。通过本发明，可生成具备高延展性、高精度级的二级波纹结构，并尤其适用于延性电路互联结构的用途。
Description
技术领域
本发明属于延性电路制造领域，更具体地，涉及一种延性电路互联结构的制造装置、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，因而在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如空间膨胀结构故障检测、人造电子皮肤、大面积传感器和驱动器、可伸缩太阳电池等。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造装置、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延性电路互联结构的制造装置、方法及产品，其中通过对互联结构形成机理的进一步研究，相应调整制备工艺和制造装置，可生成具备高延展性、高精度级的二级波纹结构，并尤其适用于延性电路互联结构的用途。
按照本发明的一个方面，提供了一种延性电路互联结构的制造装置，该装置包括注射器、高压发生器、金属收集板和振动发生器，其特征在于：
所述注射器中充有静电纺丝溶液并配备流量泵，由此在流量泵的作用下将静电纺丝溶液输送至与注射器一端相连通的金属喷头；
所述金属收集板位于所述喷头的喷射下方，它的上面承载有基板，并通过与之相连的运动平台一同沿着X轴或Y轴方向移动；
所述振动发生器与金属收集板相连，并用于当金属收集板及所承载的基板沿着X轴或Y轴方向平移的同时，使其沿着与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动；
所述高压发生器的正极与金属喷头相连，其负极与金属收集板相连，由此使静电纺丝溶液在电场作用下从金属喷头向基板的表面喷射。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）首先启动流量泵，将注射器内的静电纺丝溶液输送至金属喷头，接着通过调节高压发生器的电压，使得静电纺丝溶液在电场作用下从喷头向着基板的表面呈螺旋状喷出；
（b）在喷射静电纺丝溶液的过程中，使金属收集板及所承载的基板在沿着X轴或Y轴方向平移的同时，还沿其与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动；以此方式静电纺丝溶液喷印至基板表面上，并形成所需的延性电路互联结构。
作为进一步优选地，所述金属喷头与金属收集板之间的垂直距离被设定为0.3～2cm。
作为进一步优选地，所述高压发生器在金属喷头与金属收集板之间所施加的电压为0.8～3KV。
作为进一步优选地，所述金属喷头的内径为0.3～0.8mm。
作为进一步优选地，在整个制备过程中，通过调节金属收集板沿着X轴或Y轴方向平移的速度以及振动发生器的振动频率和振幅，来进一步控制延性电路互联结构的形状和可拉伸比。
作为进一步优选地，所述金属收集板沿着X轴或Y轴方向平移的速度被设定为10mm/s～2000mm/s，所述振动发生器的振动频率和振幅分别被设定为10Hz～300Hz，0.1cm～3cm。
按照本发明的又一方面，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。
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、通过振动发生器配合移动平台的移动，导致喷印到基板上的纤维图案整体呈各类波形的形状；与此同时通过在电场作用下喷射静电纺丝溶液，溶液将被不断拉伸形成纳米级直径的纤维，并呈螺旋形下降喷射到基板表面，这样使得纤维图案除了整体呈波形之外，在大波形上还形成有各类小波形，从而在整个基板上喷印出多级波纹结构；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、由于在基板上直接喷印出多级的波纹结构，结合数字化工艺，可实现在线精确定位，而且所获得的多级波纹结构部分均匀，不会出现平面外屈曲，有利于后续封装工序；
3、通过对制备工艺中的一些关键工艺参数譬如电场电压值、平移速度和振动频率等进行研究，可以制得形状及可拉伸比等更为符合延性电路需求的互联结构，提高产品的适用面；
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是按照本发明的延性电路互联结构的制造装置的整体结构示意图；
图2是静电纺丝时从上至下观察到的纳米纤维螺旋下降的示意图；
图3a是按照本发明实施例1所制得的互联结构样品的形状示意图；
图3b是按照本发明实施例2所制得的互联结构样品的形状示意图；
图3c是按照本发明实施例3所制得的互联结构样品的形状示意图；
图3d是按照本发明实施例4所制得的互联结构样品的形状示意图。
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-注射器2-流量泵3-连接件4-金属喷头5-高压发生器6-基板7-金属收集板8-振动发生器9-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是按照本发明的延性电路互联结构的制造装置的整体结构示意图。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注射器1、高压发生器5、金属收集板7和振动发生器8，其中注射器1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2，由此在流量泵的作用下将静电纺丝溶液微量精密地推动，并譬如通过橡胶软管之类的连接件3输送至与注射器一端相连通的金属喷头4。金属收集板7位于喷头4的喷射下方，它的上面例如通过可拆除胶带固定承载有基板6，并通过与之相连的运动平台9一同沿着X轴或Y轴方向移动。振动发生器8与金属收集板7相连，例如设置在运动平台9上并处于金属收集板7下侧，用于当金属收集板及所承载的基板沿着X轴或Y轴方向平移的同时，使其沿着与平移方向垂直的方向产生振动。高压发生器5的正极与金属喷头4相连，其负极与金属收集板7相连，由此使静电纺丝溶液在电场作用下从金属喷头4向基板6的表面喷射。
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直线状的单级波纹结构；研究发明，此时若在与移动平台移动方向垂直的方向让硅基板做固定周期的往复运动，此螺旋状纤维喷印在硅基板上形成的单级波纹结构进一步形成两级波纹结构。具体而言，振动发生器配合移动平台的移动，导致喷印到基板上的纤维图案整体呈各类大波形的形状；与此同时通过在电场作用下喷射静电纺丝溶液，溶液将被不断拉伸形成纳米级直径的纤维，并呈螺旋形下降喷射到基板表面，这样使得纤维图案除了整体呈大波形之外，在大波形上还形成有各类小波形，从而在整个基板上喷印出多级波纹结构并获得延性电路互联结构产品。
按照本发明的延性电路互联结构的制备方法具体流程如下：
首先可启动流量泵，将注射器内的静电纺丝溶液推动并输送至金属喷头，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，最终形成纳米纤维。
在喷射静电纺丝溶液的过程中，使金属收集板及所承载的基板在沿着X轴或Y轴方向平移的同时，还沿其与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动，也即在同一平面内平移方向与振动方向相互垂直；以此方式静电纺丝溶液喷印至基板表面上，并形成两级波纹形式的延性电路互联结构。基板可选择柔性基板或硅基板，当基板为硅基板时，可以将喷印到上面的两级波纹图案转印到譬如PDMS的弹性橡胶基板上。用于接收两级波纹图案的弹性橡胶基板要求如下：湿软并且洁净，波纹结构转印到上面后不会发生变形。转印过程中用很快的剥离速度将波纹结构和硅基板分离。
在一个优选实施例中，所述金属喷头与金属收集板之间的垂直距离被设定为0.3～2cm。较多的比较测试结果表明，在上述参数范围内可实现较好的纺丝效果，并利于生成多级波纹结构。另外，所述高压发生器在金属喷头与金属收集板之间所施加的电压优选设定为0.8～3KV。较多的比较测试结果表明，在上述参数范围内可实现较好的纺丝效果，并利于生成多级波纹结构。
在另外一个优选实施例中，金属喷头的内径被设定为0.3～0.8mm。这样可喷出纳米级精度的纺丝，同时该纳米精度级的纺丝通过形成多级波纹结构，在可以在获得更精密尺寸的打印图案效果的同时，还能进一步提高可延展性。
进一步的研究表明，除了以上工艺参数之外，按照本发明所制得的延性电路互联结构的形状和可拉伸比还通过以下两个关键参数密切相关，也即可以金属收集板沿着X轴或Y轴方向平移的速度、以及振动发生器的振动频率和振幅。其中，假设基板单向运动速度为v基，振动发生器的频率和振幅分别为f振和A振，高压发生器的电压为V电，两个电极间距离为L，溶液浓度为η，则大波纹的振幅A大∝A振，大波纹的频率为小波纹的频率为
小波纹的振幅为
必须指出的是，
不仅影响大小波纹的频率同时也影响大小波纹的形状，因此在实际制备多级波纹过程中，可通过调整这两个参数控制制备的多级波纹的形状和可拉伸比，甚至可以通过调整这两个参数制备出方波等非常规波纹结构。较多的对比测试表明，可以将金属收集板沿着X轴或Y轴方向平移的速度被设定为10mm/s～2000mm/s，振动发生器的振动频率和振幅分别被设定为10Hz～300Hz，0.1cm～3cm。相应地，可获得高延展性、高精度级的二级波纹结构。
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6%的聚氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器，精密流量泵的推动流量为100nL/min，与注射器相连通的金属喷头的内径为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金属收集板相连，用10cm×10cm硅钢片作为金属收集板7，金属收集板固定在移动平台上，柔性基板放置在金属收集板上，金属收集板距离金属喷头的距离为0.8cm；
C：移动平台以50mm/s的速度沿X方向运动，振动发生器在Y方向施加频率100HZ振幅为1cm的振动，高压发生器施加电压1KV进行电纺丝。
实施例2
A：配置重量百分比浓度为6%的PEDOT:PSS溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器，精密流量泵的推动流量为100nL/min，与注射器相连通的金属喷嘴内径为0.5mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，高压发生器的负极与金属收集板相连，用10cm×10cm硅钢片作为金属收集板，金属收集板固定在移动平台上，硅基板放置在金属收集板上，硅金属收集板距离金属喷头的距离为0.3cm。
C：移动平台以10mm/s的速度沿Y方向运动，振动发生器在X方向施加频率10HZ振幅为1cm的振动，高压发生器施加电压0.8KV进行电纺丝。
D:将电纺丝后得到的多级波纹结构转印到PDMS橡胶基材上。
实施例3
A：配置重量百分比浓度为6%的聚氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器，精密流量泵的推动流量为100nL/min，与注射器相连通的金属喷头内径为0.3mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，高压发生器的负极与金属收集板相连，用10cm×10cm硅钢片作为金属收集板，金属收集板固定在移动平台上，柔性基板放置在金属收集板上，金属收集板距离金属喷头的垂直距离为0.8cm。
C：移动平台以1000mm/s的速度沿X方向运动，振动发生器在Y方向施加频率300HZ振幅为1cm的振动，高压发生器施加电压3KV进行电纺丝。
实施例4
A：配置重量百分比浓度为6%的PEDOT:PSS溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器，精密流量泵的推动流量为100nL/min，与注射器相连通的金属喷头的内径为0.5mm，金属喷头与高压发生器的正极相连，高压发生器的负极与金属收集板相连，用10cm×10cm硅钢片作为金属收集板，金属收集板固定在移动平台上，硅基板放置在金属收集板上，金属收集板距离金属喷头的距离为1cm。
C：移动平台以10mm/s的速度沿X方向运动，振动发生器在Y方向施加频率200HZ振幅为1cm的振动，高压发生器施加电压2KV进行电纺丝。
D:将电纺丝后得到的多级波纹结构转印到PDMS橡胶基材上。
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 (9)
1.一种延性电路互联结构的制造装置，该装置包括注射器（1）、高压发生器（5）、金属收集板（7）和振动发生器（8），其特征在于：
所述注射器（1）中充有静电纺丝溶液并配备流量泵（2），由此在流量泵的作用下将静电纺丝溶液输送至与注射器一端相连通的金属喷头（4）；
所述金属收集板（7）位于所述喷头的喷射下方，它的上面承载有基板（6），并通过与之相连的运动平台（9）一同沿着X轴或Y轴方向移动；
所述振动发生器（8）与金属收集板（7）相连，并用于当金属收集板及所承载的基板沿着X轴或Y轴方向平移的同时，使其沿着与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动；
所述高压发生器（5）的正极与金属喷头（4）相连，其负极与金属收集板（7）相连，由此使静电纺丝溶液在电场作用下从金属喷头（4）向基板（6）的表面喷射。
2.一种采用如权利要求1所述的装置来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）首先启动流量泵，将注射器内的静电纺丝溶液输送至金属喷头，接着通过调节高压发生器的电压，使得静电纺丝溶液在电场作用下从喷头向着基板的表面呈螺旋状喷出；
（b）在喷射静电纺丝溶液的过程中，使金属收集板及所承载的基板在沿着X轴或Y轴方向平移的同时，还沿其与平移方向垂直的Y轴或X轴方向产生振动；以此方式静电纺丝溶液喷印至基板表面上，并形成所需的延性电路互联结构。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属喷头（4）与金属收集板（7）之间的垂直距离被设定为0.3～2cm。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述高压发生器（5）在金属喷头与金属收集板之间所施加的电压为0.8～3KV。
5.如权利要求2-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述金属喷头（4）的内径为0.3～0.8mm。
6.如权利要求2-5任意一项所述的方法，其特征在于，在整个制备过程中，通过调节金属收集板（7）沿着X轴或Y轴方向平移的速度以及振动发生器（8）的振动频率和振幅，来进一步控制延性电路互联结构的形状和可拉伸比。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，，所述金属收集板沿着X轴或Y轴方向平移的速度优选被设定为10mm/s～2000mm/s，所述振动发生器的振动频率和振幅分别被优选设定为10Hz～300Hz，0.1cm～3cm。
8.一种通过如权利要求2-7任意一项所述的方法所制得的的延性电路互联结构产品。
9.如权利要求8所述的延性电路互联结构产品，其特征在于，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。
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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 | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yin Zhouping Inventor after: Huang Yongan Inventor after: Wen Zhou Inventor after: Bu Ningbin Inventor after: Liu Huimin Inventor before: Huang Yongan Inventor before: Yin Zhouping Inventor before: Wen Zhou Inventor before: Bu Ningbin Inventor before: Liu Huimin |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220107 Address after: 430000 280, floor 2, building 1, phase I plant of optoelectronic supporting industrial park, No. 117, zuoling Road, zuoling Town, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province Patentee after: Wuhan guochuangke Photoelectric Equipment Co.,Ltd. Address before: 430074 Hubei Province, Wuhan city Hongshan District Luoyu Road No. 1037 Patentee before: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |