CN103510275B - 一种多层薄膜微结构自对准制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层薄膜微结构自对准制备方法，通过分隔板将喷头内腔体纵向分为至少两个腔室，在各腔室内注入不相溶的高分子溶液，并汇聚于喷头的喷嘴处；施加高压静电场，同时驱使接收板做平面直线运动，在高压静电场作用下喷嘴处的溶液变形成泰勒锥，从泰勒锥尖端拉出射流，射流中的多种高分子材料先后沿着接收板运动的方向进行静电纺丝，形成多层薄膜微结构。本发明还公开一种实现上述方法的装置，分隔板纵向设于喷嘴内，将喷嘴内腔体分隔为至少左右两个腔室；在喷嘴端部设有端部盖板，端部盖板与喷嘴端部之间设有密封片；喷嘴的侧面开有溶液注入孔。本发明实现多层薄膜微结构的高精度自对准制备,工序简单，成本低，有利于大规模的推广使用。

Description

一种多层薄膜微结构自对准制备方法及装置

技术领域

本发明涉及多层薄膜微结构的制备领域，具体涉及一种能够实现多层薄膜微结构自对准的制备方法及装置。

背景技术

多层薄膜微结构是一种具有多个厚度在微米级甚至纳米级的薄膜层状结构，广泛的存在于电子制造领域中。

目前常见的制备多层薄膜微结构的方法包括磁控溅射、真空镀膜、化学气相沉积等，这些制备工艺都得基于由光刻工艺来制造出的掩膜保护层。一般在硅基底上制备出一层图案化薄膜的话，需要经过以下步骤：首先，清洗硅基底，并在表面旋涂一层光刻胶，烘干；然后，利用事先制备好的图案化的掩膜板在光刻机下进行光刻，用显影液显影，这样掩膜板上的图案就会复制到光刻胶上；最后，利用图案化的光刻胶作为掩膜保护层，采用磁控溅射、真空镀膜或者化学气相沉积等工艺在硅基底上制备出一层微米级厚度的薄膜，然后利用清洗液将剩余的光刻胶去除，于是在硅基底上得到了一层图案化的薄膜。想要制备出多层薄膜的话，则需要多次重复上述步骤，层与层之间的对准精度是由两次光刻时的掩膜板精度来决定的，通常能够达到几个微米的对准精度。

柔性电子器件通常具有多层结构，经常会碰到双层结构的套印问题，例如有机材料p-n结通常有两层具有不同属性的自由离子（电子或者空穴）的材料组成，在柔性的基底上直接打印p-n结就会遇到两种薄层的对准问题，若无法对准完全，则p-n结很可能会失效。目前柔性电子器件的制造通常是基于上文提到的光刻、镀膜等该工艺来实现的，然而这种制备方法，所需要的工序复杂，成本高，不利于大规模的推广使用，因此寻找一种低 成本并且能够实现柔性电子器件多层薄膜微结构的制备的方法，已成为当前研究的热点问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多层薄膜微结构自对准制备方法及装置，实现多层薄膜微结构的高精度自对准制备。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种多层薄膜微结构自对准制备方法，具体为：通过隔板将喷头内腔体纵向分为至少两个腔室，在各腔室内注入不相溶的高分子溶液，各高分子溶液汇聚于喷头的喷嘴处；在喷头与接收板之间施加高压静电场，同时驱使接收板在喷头下方做平面直线运动，在高压静电场作用下喷嘴处的高分子溶液变形形成泰勒锥，在静电力的作用下从泰勒锥尖端拉出射流，射流中的多种高分子材料先后沿着接收板运动的方向进行静电纺丝，形成多层薄膜微结构。

本发明多层薄膜微结构自对准制备方法的技术效果体现在：本发明利用机电纺丝的工艺，采用中间带有分隔板的喷头，分隔板能够使得管状喷嘴两侧的溶液直到出口处才开始接触，于是喷嘴末端形成的“组合式泰勒锥”中各高分子溶液先后沿着接收板运动的方向进行静电纺丝。由于圆柱体状射流的直径只有几微米，因此在其接触接收板的瞬间可以保证多层薄膜间具有高精度的自对准性。另外，当各高分子溶液的蒸发速度不一致，只有当溶液均在空气中固化后才会在接收板上形成对准精度高的微结构，若一种溶液形成的纤维到基板上仍未完全固化，则会扩散铺展到固化的纤维表面，形成搭接结构，一定程度上帮助实现微结构的自对准。整个工序简单，成本低，有利于大规模的推广使用。

进一步地，通过改变分隔板在接收板与接收板运动方向的夹角，能够实现双层结构、平行结构以及搭接结构的高精度打印，从而可以控制打印的多层微结构的自对准制备。当增加分隔板和溶液注入口的数量时，也能够一次性打印出多层微结构。具体说，所述分隔板与接收板运动方向的位 置关系或垂直,或平行,或形成锐角,可以通过调节旋转喷头来实现夹角的改变。

为了实现本发明的另一目的，本发明提供了一种多层薄膜微结构自对准制备装置，包括喷嘴、分隔板、密封片、端部盖板和转换接口；分隔板纵向设于喷嘴内，将喷嘴内腔体分隔为至少左右两个腔室，各腔室内的高分子溶液汇聚于喷头的喷嘴处；在喷嘴远离其喷孔的端部设有端部盖板，端部盖板与喷嘴端部之间设有密封片；喷嘴的侧面开有一一对应各腔室的溶液注入孔，注入孔通过转换接口连接外部溶液输入管。

进一步地，还包括接收板，置于喷嘴下方；

所述分隔板的位置决定各腔室的体积相等或不相等，特别的，当只有一个分隔板，且两个腔室的体积相等时，调节分隔板与接收板运动方向的夹角能够在接收板上形成双层结构、平行结构以及搭接结构的高精度制备；当只有一个接收板，且两个腔室的体积不相等时，则在接收板往返运动时，能够在接收板上形成内外两层的包络结构或者是功能材料的岛状结构。

本发明多层薄膜微结构自对准制备装置的技术效果体现在：本发明由于在喷嘴的尖端处能够形成“组合式泰勒锥”，在纺丝的时候，会先后沿着接收板运动的方向进行电纺丝，可解决传统静电纺丝无法实现高精度套印的难题，纳米纤维的产出率高，自对准精度高。打印的多层薄膜微结构形貌很容易通过旋转喷头来实现，例如当喷嘴沿着不同的方向进行运动时如X或Y向时，能够使得基板上形成双层结构或者平行结构。溶液的适应性强，可以用于不同溶液的静电纺丝，制备双层或者多层纳米结构。使用分隔板位置不在正中间的喷头时，能够在接收板上形成内外两层的包络结构或者是功能材料的岛状结构。整个装置结构简单、操作简单、成本低，有利于大规模的推广使用。

附图说明

图1为本发明所公开喷头的主视与左视的剖面示意图；

图2为本发明所公开喷头的外观示意图；

图3为本发明所公开喷头的分解结构示意图；

图4为本发明的机电纺丝工作示意图，其中，图4（a1）和4（a2）分别为接收板运动方向垂直于分隔板的纺丝过程和纺丝结果示意图；图4（b1）和4（b2）分别为接收板运动方向与分隔板夹角为锐角的纺丝过程和纺丝结果示意图；图4（c1）和4（c2）分别为接收板运动方向平行于分隔板方向运动的纺丝过程和纺丝结果示意图；

图5为本发明所公开喷头的仰视示意图，其中，图5（a1）、5（b1）、5(c1)为分隔板与喷嘴的不同相对位置示意图（圆形代表喷嘴、直线代表分隔板的大致位置，V为接收板运动的方向）；图5（a2）、5（b2）、5（c2）分别为射流在接收板上所形成的的岛状结构、双层结构与包络结构。

其中，1为管状喷嘴，2为分隔板，3为密封片，4为端部盖板，5为转换接头。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图3所示，本发明多层薄膜微结构自对准制备装置包括管状喷嘴1、分隔板2、密封片3、端部盖板4和转换接口5。分隔板2纵向设于管状喷嘴1内，将喷嘴腔体分为左右两个腔室。管状喷嘴1远离其喷孔的端部设有端部盖板4，端部盖板4与喷嘴腔体之间设有密封片3。管状喷嘴1的两侧面分别开有一个对应左、右两腔室的溶液注入孔，注入孔通过转换接口5连接外部溶液输入管。

管状喷嘴材质为常用的导电机械加工材料，由传统的机械加工方法所 得，如铸造。喷嘴的下端为锥状，锥角为锐角，喷孔的直径为微米级，一般在0到100μm范围内，并且喷孔的直径越小，所制备的薄膜线宽越小。

分隔板为薄片状，表面光滑，厚度不到一毫米，材质为常用的机械加工材料，如铜、铝、不锈钢等。

所述转换接头的材料为常用的机械加工材料，如铜、不锈钢等，为外界溶液输入的端口。

使用时,需另外准备接收板和高压直流电源，接收板置于喷嘴下方，高压直流电源连接喷头与接收板，用于在空间内形成高压静电场。

如图4所示，本发明多层薄膜微结构自对准制备装置，采用机电纺丝的原理，管状喷嘴与接收板分别连接高压电源的正负极，分隔板能够使得管状喷嘴两侧的溶液直到出口处才开始接触，于是喷嘴末端形成的“组合式泰勒锥”中两边溶液对称的各占一半并且会沿着接收板运动的方向进行静电纺丝。同时驱使接收板在喷头下方做平面直线运动，拉出的射流由多种高分子材料形成圆柱体状，圆柱体状射流的各种高分子材料先后接触接收板，在移动的接收板上静电纺丝形成多层薄膜。由于圆柱体状射流的直径只有几微米，因此在其接触接收板的瞬间可以保证多层薄膜间具有高精度的自对准性。在本发明中，纵向隔离为多个腔室的喷头保证在喷嘴处的溶液形成半月型，进一步的在高压静电场作用形成组合式泰勒锥并且在泰勒锥尖端处产生射流，移动的接收板对射流纺丝进行导向以及多层薄膜的自对准制备。

改变分隔板与接收板运动方向的夹角，能够在接收板上分别实现双层结构、平行结构以及搭接结构的高精度打印。具体来讲，当接收板沿着垂直于分隔板的方向运动时，一种溶液生成的薄膜会自动覆盖到另一种溶液生成的薄膜上，实现高精度自对准制备，参见图4（a1）、4（a2）；而当接收板沿着平行于分隔板的方向运动时，两种溶液在接收板上生成的纤维或者丝带会并行排列，参见图4（c1）、4（c2）；若接收板的运动方向与分隔板形成锐角时（图 示为30度），则生成的纤维或者丝带会有部分相互搭接，参见图4（b1）、4（b2）。图中，L表示喷头在接收板上形成薄膜的线宽，W表示组合式泰勒锥形成的两次薄膜所重叠的宽度，并且L、W以及接收板运动方向与分隔板在接收板上的投影的夹角关系为W=L*sinθ，也即夹角越大，两层薄膜重叠的区域越大。

多层薄膜的排位先后顺序由其对应的高分子材料射流接触接收板的先后顺序决定，因此，可以通过改变高分子材料的腔室填充位置或则改变接收板的运动方向来调整薄膜顺序。

实际上，当喷头中设置多个分隔板以及溶液注入口时，能够一次性的制备出多层薄膜结构，原理与双层薄膜结构相同。接收板的速度和喷孔的直径能够决定制备的薄膜宽度，运动速度越快喷孔的直径越小，制备的薄膜宽度越窄，一般为亚微米到十几微米宽；为了能够制备出薄膜状的微结构，需要将喷嘴与接收板的距离保持在合适的范围内，如1～3mm。

如图5所示，分隔板的位置决定所述各腔室的体积大小，也可以利用分隔板将喷嘴内部腔体分为一大一小两腔体或者相等的两腔体，这样进行机电纺丝打印时，能够实现在接收板面上一次性打印内外两层的包络结构，或者是带有功能层的岛状结构，或者是双层结构。例如当分别为含P型有机材料和N型有机材料的溶液，调控好打印方向后，能够一次性打印出双层的垂直型PN结。

如果两种溶液的蒸发速度不一致，只有当两种溶液均在空气中固化后才会在接收板上形成对准精度高的微结构，若一种溶液形成的纤维到基板上仍未完全固化，则会扩散铺展到固化的纤维表面，形成搭接结构，一定程度上帮助实现微结构的自对准。

本发明自对准制备装置的工作方式如下：首先通过溶液供给单元将待纺丝溶液输送至转换接头，使管状喷嘴内部充有适当的高分子溶液(如溶有P型有机材料的四氯化碳溶液和溶有N型材料的乙醇水溶液)，然后将喷头 装夹在一个能够进行旋转的支架上，使得分隔板与接收板的运动方向形成一定的夹角。最后将管状喷嘴与接收板分别连接高压电源的正极与负极，然后控制好左边两边溶液进给的流量以及施加在喷嘴上的电压，当在喷嘴的尖端形成了“组合泰勒锥”并进行电纺丝时，控制接收板运动，这样，就能够在接收板上收集到打印的自对准微图案。

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 (2)

1.一种多层薄膜微结构自对准制备方法，具体为：通过分隔板将喷头内腔体纵向分为至少两个腔室，在各腔室内注入不相溶的高分子溶液，各高分子溶液汇聚于喷头的喷嘴处；在喷头与接收板之间施加高压静电场，同时驱使接收板在喷头下方做平面直线运动，在高压静电场作用下喷嘴处的高分子溶液变形形成泰勒锥，在静电力的作用下从泰勒锥尖端拉出射流，射流中的多种高分子材料先后沿着接收板运动的方向进行静电纺丝，形成多层薄膜微结构；

所述分隔板与接收板运动方向的位置关系为垂直，或平行，或形成锐角；当接收板沿着垂直于分隔板的方向运动时，一种溶液生成的薄膜会自动覆盖到另一种溶液生成的薄膜上，实现高精度自对准制备；当接收板沿着平行于分隔板的方向运动时，两种溶液在接收板上生成的纤维或者丝带会并行排列；若接收板的运动方向与分隔板形成锐角时，则生成的纤维或者丝带会有部分相互搭接；

分隔板分割得到的各腔室的体积大小相等或不等，在不等条件下，进行机电纺丝打印时，能够实现在接收板面上一次性打印包络结构或者是带有功能层的岛状结构；

所述喷头的喷嘴与接收板的间距为1～3mm。

2.一种多层薄膜微结构自对准制备装置，包括喷嘴、分隔板、密封片、端部盖板和转换接口；分隔板纵向设于喷嘴内，将喷嘴内腔体分隔为至少左右两个腔室，各腔室内的高分子溶液汇聚于喷头的喷嘴处；在喷嘴远离其喷孔的端部设有端部盖板，端部盖板与喷嘴端部之间设有密封片；喷嘴的侧面开有一一对应各腔室的溶液注入孔，注入孔通过转换接口连接外部溶液输入管；还包括接收板和高压直流电源，接收板置于喷嘴下方，高压直流电源连接喷头与接收板，用于在空间内形成高压静电场；所述喷头的喷嘴与接收板的间距为1～3mm；

所述分隔板分割得到的各腔室的体积大小相等或不等。