CN104861656A - 基于聚二甲基硅氧烷(pdms)的复合物及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PDMS的复合物及其合成方法。所述基于PDMS的复合物包括PDMS胶体和分布在PDMS胶体内的多个导电颗粒。基于PDMS的复合物中导电颗粒的重量百分数为86%至91%。所述合成方法包括的步骤为：使用低闪点溶剂润湿多个导电颗粒；将润湿的导电颗粒与PDMS胶体混合；使低闪点溶剂蒸发以形成混合物；以及固化所述混合物以形成复合物本身。

Description

基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的复合物及其合成方法

技术领域

本发明涉及基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合物及其合成方法。具体地，本发明涉及基于PDMS的导电和磁性复合物。

背景技术

在最近几年，对于使用基于PDMS的导电和/或磁性复合物制造器件方面取得了重要的进展。这种复合物的一个主要应用为在微流体领域中制造电极、微传感器或微加热器等[1-2]。由于其透明性、生物兼容性和优良柔性等的特性，PDMS对微器件的制造起了非常重要的作用[3]。然而，PDMS本身为非导电和非磁性聚合物。由于金属和PDMS之间的粘合力很弱，PDMS很难和金属结构配合使用。因此，在微流体芯片集成中将导电颗粒与PDMS胶体混合的技术是非常重要的。

从2001年由Graron等人编写的将碳纤维混入PDMS中的第一篇报告开始[4]，已发明了很多具有不同用途的不同基于PDMS的复合物：用于机械应用的Cu+PDMS复合物[5]；用于导电目的的Ag+PDMS复合物[6]；用于磁阻和压阻目的的Ni+PDMS复合物[5]和Fe₃O₄Ag复合物[7]；用于微流体器件中的磁阀的Fe(CO)₅+PDMS复合物[8]；和用于磁流变（MR）弹性体的Fe+PDMS复合物[9]、CoFe₂O₄+PDMS复合物[10]和Fe_2-xCoSm_xO₄+PDMS复合物[11]。

在上述基于PDMS的复合物中，Ni+PDMS复合物由于其明显的压阻效应，通常用作压力传感器。最近的报告指出，当施加高压时，Ni+PDMS样品的电阻率显着下降约10个量级。然而，压缩后样品的电阻率仍然太高而不能认为是电导体。另一方面，Ag+PDMS复合物为有前途的低电阻率材料并因此适合于任何电学应用。然而，由于在Ag+PDMS中银的浓度高，不均匀性是个很大的问题。对于导电和磁性应用，涂覆银颗粒的Fe₃O₄（Fe₃O₄Ag）是使导电颗粒有磁性的一种方案，但该颗粒的制造过程复杂且不易控制。

上述的大多数基于PDMS的复合物是通过将相应颗粒与PDMS胶体直接混合合成，即通过简单地将固体颗粒注入PDMS胶体并搅拌直至胶体变得均匀。但上述过程并不是好的方法，因为当PDMS复合物中的固体颗粒需要为高浓度时，没有多少溶剂（PDMS）去溶解所有颗粒。而且，由于颗粒+PDMS胶体的高粘性，搅拌是困难的。例如，难以通过将17.6g的银颗粒与仅仅2.4g的PDMS胶体均匀混合，从而制造88%wt（重量百分数）的Ag+PDMS复合物。也应该注意的是，一些上述的复合颗粒，例如Fe₃O₄Ag、CoFe₂O₄或Fe_2-xCoSm_xO₄是难于合成而不易得到。

发明内容

根据上述背景技术，本发明的一个目的是提供合成基于PDMS的复合物的替代方法。

因此，本发明的一个方面为合成基于PDMS的复合物的方法，其包括的步骤为：（1）使用低闪点溶剂润湿多个导电颗粒；（2）将导电颗粒与PDMS胶体混合；（3）使所述低闪点溶剂蒸发以形成混合物；和（4）固化所述混合物以形成基于PDMS的复合物。

在一个实施方案中，导电颗粒选自银、镍、铁和金，并且导电颗粒的平均尺寸为1.2μm至5μm。

在另一个实施方案中，低闪点溶剂选自丙酮、己烷和庚烷。

在另一个实施方案中，蒸发步骤在室温下进行24小时。

在另一个实施方案中，固化步骤进一步包括在60℃下将混合物加热48小时的步骤。

在一个实施方案中，基于PDMS的复合物的合成方法进一步包括超声处理多个导电颗粒的步骤；其中所述超声步骤的持续时间为15分钟。

根据本发明的另一方面，公开了一种基于PDMS的复合物。所述基于PDMS的复合物包括PDMS胶体和分布在PDMS胶体内的多个导电颗粒；其中，基于PDMS的复合物中导电颗粒的重量百分数为86%至91%。

在一个示例性实施方案中，导电颗粒选自银、镍、铁和金，并且导电颗粒的平均尺寸为1.2μm至5μm。

在一个示例性实施方案中，银被用作导电颗粒，且基于PDMS的复合物中银的重量百分数为88%至90%，且相应的基于PDMS的复合物的导电率为10^-2Sm^-1至10⁴Sm^-1。

在一个示例性实施方案中，镍被用作导电颗粒，且基于PDMS的复合物中镍的重量百分数为87%至90%，且当施加的压应力从0kPa增加至250kPa时，相应的基于PDMS的复合物的电阻率下降大于7个数量级。

本发明具有很多优势。首先，所提出的合成方法可增加金属颗粒在PDMS中的溶解度，并降低得到的基于PDMS的复合物的电阻率。而且，其也可使金属颗粒在复合物中的扩散更加均匀。

本方法的另一个优势是由于其低闪点的性能，不需要加热就可蒸发溶剂。该方法也可以使基于PDMS的复合物的绝缘效果最小化。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方案的合成基于PDMS的复合物的方法。

图2示出了本发明的一个实施方案，在施加约32kPa的压应力之前、期间和之后，具有不同的镍浓度的Ni+PDMS复合物的三个柱状样品（直径：52.7mm，高度：7mm）的电阻。

图3a至3c示出了本发明的一个实施方案，90%wt Ni+PDMS复合物的柱状样品（直径：52.7mm，高度：23.8mm）的电学和机械特性。具体是，图3a示出了相对于施加在样品上的压应力的样品电阻率；图3b示出了相对于施加在样品上的应变的施加在样品上的压应力；且图3c示出了相对于施加在样品上的应变的样品电阻率。

图4a至4b示出了本发明的一个实施方案，90%wt Ni+PDMS的柱状样品在第一次和第二次压缩（间隔10分钟）时的电学性能的比较。具体是，图4a示出了样品的电阻率相对于施加在样品上的应力的对数图；且图4b示出了样品的电阻率相对于压应力的图（集中在低电阻率区域）。

图5a至5b示出了本发明的一个实施方案中具有不同的银浓度的Ag+PDMS复合物的电学性能和杨氏模量。具体是，图5a示出了相对于银的浓度的样品导电率；且图5b示出了相对于银的浓度的样品杨氏模量。

图6a至6e示出了本发明的一个实施方案的光刻技术的示意图。

图7示出了本发明的不同实施方案中具有不同沟道宽度的微加热器。具体是，图7a示出了具有10μm沟道宽度的微加热器；图7b示出了本发明实施方案的100-μm微加热器的尺寸；图7c示出了与图7b相同的实施方案的100-μm微加热器沟道的显微照片；且图7d示出了500-μm微加热器的尺寸。

图8示出了在施加3.5V的电压下，本发明的一个实施方案的Ag+PDMS微加热器的热性能。

图9a至9b示出了本发明的一个实施方案的聚合酶链反应（PCR）的构成。具体是，图9a示出了温度控制箱；且图9b示出了用于PCR芯片的支架(stand)和冷却系统。

图10a至10b示出了与图9相同的实施方案的PCR热循环和PCR结果。具体是，图10a示出了25个在91℃下30s和在71℃下30s的热循环；且图10b示出了PCR结果的凝胶电泳图像：Ⅰ.DNA标记，Ⅱ.在台机(bench machine)上实施的PCR，和Ⅲ.在Ag+PDMS微加热器中实施的PCR。

图11a至11b示出了本发明的一个实施方案用于测试粘合强度的装置。具体是，图11a示出了送入的压缩空气（CA）的管道，控制CA压力的结头，DPI 104 300psi g，S/N气压计和基于PDMS的复合物的样品；且图11b示出了装置的示意图。

图12示出了本发明的不同实施方案使用不同粘合技术，不同基于PDMS的复合物的粘合强度的概括结果。

图13a至13b示出了等离子体活化粘合的过程。具体是，图13a示出了在等离子体活化后一些-CH3基团被-OH基团替代；且图13b示出了在加热后两个-OH缩合以形成-O-。

图14a至14j示出了本发明的不同实施方案的不同尺寸的2-D电路板。具体是，图14a至14i示出了具有300μm沟道宽度的九个不同的10×10mm²电路板；且图14j示出了具有900μm沟道宽度的A4纸尺寸的电路板。

图15a示出了具有500x800μm²的沟道横截面尺寸的50×50mm²两层导电电路板的俯视图。图15b至15c示出了如图15a所示的两层导电电路板的制造过程。

图16a示出了细胞培养的装置。通过底层的微加热器且在5%-CO₂-调湿室中将细胞培养芯片保持在37℃。在补充有10%的胎牛血清（FBS），100单位/mL盘尼西林和100mg/mL链霉素的最小必需培养基中培养HeLa细胞。图16b示出了在显微镜下HeLa细胞的图像。（在细胞芯片上播种后，将HeLa细胞培养20小时）。

具体实施方式

如本文和权利要求中所用，“包括”指的是包括下面的组件但不排除其它组件。

如本文和权利要求中所用，词语“简单”指的是能够容易地在任何化学品供应商处购得的颗粒粉末。不必在内部合成颗粒粉末。

如本文和权利要求中所用，“基于PDMS的复合物”指的是一种复合物的化学结构，其包含至少一种导电（和磁性）颗粒成分，该成分赋予整个结构的所有或部分低电阻率（和磁性能）；其中“导电（和磁性）颗粒成分”指的是可导电的具有或不具有磁性能的微尺寸颗粒成分，且短语“低电阻率”指的是在10^-3Ωm量级或以下的电阻率。

如本文和权利要求中所用，短语“具有低闪点的溶剂”或“低闪点溶剂”指的是具有低于0℃的闪点的溶剂。

现参考图1，本发明的第一方面为合成基于PDMS的复合物的方法。所述方法的第一步20为将导电颗粒与低闪点溶剂混合。然后在第二步22中对润湿的导电颗粒进行超声处理，以阻止任何颗粒的聚集。然后，在第三步24中将PDMS胶体与润湿的导电颗粒混合。在本发明的一个实施方案中，PDMS胶体包含PDMS弹性体和PDMS硬化剂。在具体实施中，PDMS胶体中PDMS弹性体和PDMS硬化剂的重量比为10:1。在第四步26中，从混合物中蒸发低闪点溶剂。在一个实施方案中，不需加热进行低闪点溶剂的蒸发。最后，在步骤28中将所得的混合物固化以获得基于PDMS的复合物。

在一个实施方案中，导电颗粒选自镍、银、铁和金。在另一个实施方案中，导电颗粒为具有1.2μm至5μm的平均尺寸的微尺寸金属颗粒。在一个实施方案中，低闪点溶剂选自丙酮、己烷和庚烷。

在一个实施方案中，在室温下于通风橱中使第四步26进行24小时实施。在另一个实施方案中，在步骤28中使用热固化。在本发明的具体实施中，通过将混合物于烤箱中在60℃下加热48小时来实施热固化。

根据本发明的另一方面，公开了基于PDMS的复合物。基于PDMS的复合物包括PDMS胶体和分布在PDMS胶体内的多个导电颗粒；基于PDMS的复合物中导电颗粒的重量百分数为86%至91%。

在一个实施方案中，导电颗粒选自镍、银、铁和金。在另一个实施方案中，导电颗粒为具有1.2μm至5μm的平均尺寸的微尺寸金属颗粒。

在一个实施方案中，选择银的微尺寸颗粒作为在基于PDMS的复合物中使用的导电颗粒。因此，在所得的基于PDMS的（Ag+PDMS）复合物中银颗粒的重量百分数为88%至90%。而且，所得的Ag+PDMS复合物的导电率和杨氏模量分别为10^-2Sm^-1至10⁴Sm^-1和0.9MPa至2.1MPa。

在另一个实施方案中，选择镍的微尺寸颗粒作为在基于PDMS的复合物中使用的导电颗粒。对所得的Ni+PDMS复合物施加压应力时，所产生的基于PDMS的（Ni+PDMS）复合物的导电率小于10^-3Ωm。另外，当施加的压应力从0kPa增加至250kPa时，所产生的Ni+PDMS复合物的电阻率下降大于7个数量级。

基于PDMS的复合物的合成

为了演示所要求保护的方法，下面讨论合成Ni+PDMS的一个示例性实例。首先，将给定量的镍颗粒（例如：Sigma Aldrich，颗粒尺寸<5μm）与丙酮（闪点：-17℃）混合，以完全润湿颗粒。超声处理15分钟以分离任何聚集的颗粒。该步骤使颗粒尺寸回到其在工厂中生产时的尺寸，并且此步骤会使颗粒在PDMS+丙酮的溶液中更完全地扩散。PDMS（例如：Dow Corning，SYLGARD 184）包含“弹性体”和“硬化剂”。在这示例性实例中，弹性体和硬化剂以10:1的重量比使用。将适量的PDMS弹性体加入Ni+丙酮溶液中并轻轻搅拌直到混合物变成均相溶液。随后，将适量的PDMS硬化剂加入均相溶液中并充分搅拌。在一个具体实施例中，利用19.8g镍颗粒，2g PDMS弹性体和0.2g PDMS硬化剂来合成22g90%wt的Ni+PDMS复合物。

将最终溶液（Ni+丙酮+PDMS弹性体+硬化剂）放入通风橱一段时间，使得蒸发掉所有的丙酮。在一个实施方案中，上述时间段约24小时。使用具有低闪点溶剂的主要原因为在固化前不需要加热以将溶剂排出。固化前的加热不利于合成步骤，因为当溶剂中存在杂质时，该加热步骤使PDMS混合物开始固化并且溶剂分子会留在PDMS混合物中。然后溶剂将难以完全蒸发。另外，形成孔隙，甚至分子可以脱掉，使得基于PDMS的复合物的导电率将增大。

另外，具有低闪点的溶剂的蒸发从溶液中带走热量并降低溶液的温度，当存在杂质时其进一步降低了固化率。而且，由于丙酮蒸发的同时混合物还没有固化，因此镍颗粒和PDMS分子可以替代最初填充有丙酮的孔隙。因此，镍颗粒更加密集地堆积(packed)在复合物中，由此将所产生的复合物的电阻率降低。

在丙酮蒸发后，将溶液在烤箱中于60℃下加热48小时。在合成的样品中未发现裂纹。另外，所产生的样品为海绵状的，其可压缩且有弹性。

在另一个示例性实施例中，将银颗粒（例如：Unist BusinessCorp.(上海)，颗粒尺寸～1.2-2.2μm）用作导电颗粒。如上述示例性实施例所描述的合成步骤可以应用于合成Ag+PDMS复合物。

基于PDMS的（Ni+PDMS）复合物的特性（无图案）

现在讨论根据上述示例性实施例获得的Ni+PDMS复合物的特性。参考图2，对在Ni+PDMS复合物中具有不同的镍浓度的三个柱状样品（具有52.7mm的直径和约7mm的高度）的电阻率进行研究，其中，测量样品在施加约32kPa的压应力之前、期间和之后的电阻。在施加压应力之后，80%wt的Ni+PDMS复合物的电阻下降约一个数量级。相反，在施加压应力之后，85%wt和90%wt的Ni+PDMS复合物的电阻的下降非常明显，为大于3个数量级。并且90%wt的Ni+PDMS复合物的电阻比85%wt的Ni+PDMS复合物的可逆性更小。如果需要保持低的电阻率，这将是有利的。

也检测了随着施加在90%wt的Ni+PDMS复合物上压应力的变化，电阻率和应变之间的关系。为了电阻率和应变的测量，制备90%wt的Ni+PDMS复合物的柱状样品（具有52.7mm的直径和约23.8mm的高度）以用于内部制造的推力系统（包括Chatillon数字测力计，THK LM导杆致动器KR）。通过压缩样品，由推力系统可获得施加的力和压缩的位移。通过万用表（Agilent 34410A 61/2数字万用表）测量样品的电阻。然后计算压缩应力、电阻率和应变。结果绘制在图3a至3c中。图3a示出了90%wt的Ni+PDMS复合物的电阻率在低压应力区域中快速下降而在高压应力区域中下降减慢。应注意的是，只有当施加的压应力从0kPa增加至约250kPa时，90%wt的Ni+PDMS复合物的电阻率可具有大于7个数量级的下降（从2.3x10⁴Ωm至9.8x10^-4Ωm）。图3b示出了在高压应力区域中应变随着施加的压应力的线性变化。从图3c中，当应变进一步增大时，Ni+PDMS复合物的电阻率预计甚至更低于和接近于Ag+PDMS复合物的电阻率（约10^-4Ωm）。

图4a至4b示出了90%wt Ni+PDMS复合物的第一次和第二次压缩（间隔10分钟）的电阻率。清楚示出的是，低压应力的电阻率在第二次压缩中明显下降，因为90%wt的Ni+PDMS复合物可逆性更小。然而，第二次压缩中的电阻率也可达到1.1x10^-3Ωm，其大约与第一次压缩中的电阻率（9.8x10^-4Ωm）相同（参考图4b）。通过重复和每次更长时间地压缩复合物，90%wt的Ni+PDMS复合物可具有足够低的电阻率，并且甚至不施加压应力时被认为是导体。

基于PDMS的（Ag+PDMS）主体复合物的特性

具有不同银浓度的Ag+PDMS复合物的导电率如图5a所示。对于Ag+PDMS复合物开始有优良导电率的阀值浓度大约为83%wt的银。观察到超过阀值后，导电率快速增加，其中只有当银的浓度从大约83%wt增加到大于86%wt时，观察到大于6个数量级的增加（从10^-2Sm^-1以下至10⁴Sm^-1以上）。86%wt Ag+PDMS复合物的导电率与四硫富瓦烯-醌二甲烷（TTF-TCNQ）（目前常用的有机导体）的导电率是可比的。

也检测了在形变加工下Ag+PDMS复合物的机械可靠性。制备的样品为用于牵引系统(pulling system)（MTS，Alliance RT/5）的试验的具有不同银浓度的Ag+PDMS复合物的25×1×1mm³的条带。从由系统获得的张应力-应变曲线来计算杨氏模量。具有不同银浓度的Ag+PDMS复合物的杨氏模量如图5b所示。可观察到，随着银浓度从0%wt线性增加到83%wt时，杨氏模量从0.9MPa增加至2.1MPa。

基于PDMS的复合物的应用

结合光刻、激光切割和软刻蚀技术，可使用本发明的基于PDMS的复合物制造很多器件，例如微加热器、应用于电子和生物系统领域的2-D和3-D导电线路板。

i）微加热器的制造

图6a至6e示出了制造具有小于300μm沟道宽度的微加热器的方法，即光刻技术。首先，如图6a所示，使用标准的光刻技术，在衬底30(substrate)上图案化光刻胶(photoresist)层32a和32b衬底。该步骤用于形成模具用以图案化基于PDMS的导电复合物。在烘干后，用显影剂处理衬底30并用去离子水（DI水）冲洗。如本发明教导的，通过将PDMS与Ag颗粒混合在一起形成88%wt至90%wt的Ag+PDMS胶体来制备基于PDMS的导电胶体。然后将Ag+PDMS胶体34（固化前的复合物）涂在模具上，如图6b所示。将胶体的不需要的部分（则在图案的外部且在光刻胶上）从模具表面移除，以确保在模具中Ag+PDMS胶体34的干净和优选的图案。然后将胶体固化（例如：通过在100℃下烘干24小时）。固化后，将光刻胶32a和32b从衬底上去除，如图6c所示。在一个实施例中，通过将整个衬底衬底浸入溶剂中来将光刻胶32a和32b去除，然后用DI水冲洗。加热后，只有Ag+PDMS复合物34留在衬底30上。为了支撑Ag+PDMS导电沟道，将厚层的纯PDMS胶36浇注在衬底30上，如图6d所示。然后在烤箱中对整个基质(matrix)加热（例如：在60℃下加热1小时）。随后，可以容易地将微加热器从衬底30上剥离，如图6e所示。实验显示，导电微结构和主体PDMS之间的粘合是完美的并且在制成的微加热器中没有发现剥离或裂纹。

在一个实施例中，光刻胶为AZ4620；使用的衬底可选自100x100mm²的玻璃和4”的硅晶圆。在另一个实施例中，用以处理衬底30的显影剂为FHD-5。在另一个实施例中，用以去除光刻胶32a和32b的溶剂为丙酮和异丙醇。

图7a显示图案化的微加热器的沟道宽度可以窄到10μm。图7b和图7c显示了制造出的具有大约100μm沟道宽度的微加热器（100-μm微加热器）。

对于制造具有大于300μm沟道宽度的微加热器，使用激光雕刻技术替代光刻技术。用激光切割系统（Universal激光系统VLS3.50）雕刻一件塑料件（例如：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））以形成用于图案化基于PDMS的复合物的模具。将PMMA模具浸入溶剂（例如：乙醇或异丙醇）中，以去除留在模具上的塑料颗粒，然后用DI水冲洗。然后将Ag+PDMS胶体涂在模具上。通过在一张干净纸上擦拭塑料模具将胶体的不需要部分（其在图案的外部）去除。然后将胶体固化。为了支撑Ag+PDMS导电沟道，将厚层的纯PDMS胶体浇注在衬底上。加热后，可以容易地从塑料模具上剥离微加热器。实验显示，导电微结构和主体PDMS之间的粘合是完美的并且在制成的微加热器中没有发现剥离或裂纹。图7d显示了500-mm微加热器。

为了检验微加热器的加热能力，采用红外线（IR）相机（FLIR系统商标，型号Prism DS）来检测微加热器经受不同施加电压时的热成像和热性能。通过使用红外线传感技术，可以获得精确的温度读数以及综合的热分布图案。在实验中，通过将IR相机聚焦在微加热器的中心螺旋形范围上来确定温度和施加电压之间的关系。在图8中，观察到随着施加电压的增加，温度从室温单调升高。当施加电压为4.5V时，观察到局部最高温度达到大约300℃。在图8的右面板上可看到在3.5V的施加电压下得到的微加热器的实际的IR图像，其中，可看到热分布具有矩形形状。从右面板也明显地观察到，局部区域远大于微加热器的尺寸，其中较低温度区域比较高温度区域扩散得更远离加热器。这是热传导所需的。

还通过生物反应-聚合酶链反应（PCR）的建立演示了上述微加热器的多目标加热性能。PCR是熟知的DNA扩增技术。该方法重复含两个或三个温度步骤的热循环。如图9a所示，将微加热器38连接到定制的温度控制箱40中，以实现温度循环。将开放室42直接安装在微加热器38上，以容纳PCR溶液。为了实现快速冷却，使用压缩空气（CA）通过压缩空气阀44吹向PCR芯片，如图9b所示。在冷却过程中通过开启压缩空气阀44来起动CA，以冷却PCR芯片。连接到温度控制箱40的压缩空气阀44将在冷却过程的开始或结束时自动开启或关闭。图10a示出了PCR的热循环和凝胶电泳图像。在图10a中，将在91℃下30s和在71℃下30s的25个热循环应用于PCR中。在25个热循环后，通过凝胶电泳来测定DNA。图10b示出了通过市售台机（bench machine）和本发明教导的Ag+PDMS微加热器得到的PCR结果的凝胶电泳图像。带Ⅱ和Ⅲ所示的结果的结论为，DNA的400个碱基对（bp）在台机和Ag+PDMS微加热器上都得到成功地扩增。Ag+PDMS微加热器的结果与市售台机的结果是可比的。PCR结果表明，可对本发明教导的Ag+PDMS微加热器进一步研发，以应用于更广泛的生物反应中。

ii）两层基于PDMS的复合物结构的制造

为了构建基于本发明的基于PDMS的复合物的复杂器件，重要的是研究可逆与不可逆的直接的基于PDMS的复合物与纯PDMS的粘合技术。检验了三种不同的粘合技术，即：（a）自然粘合，（b）等离子体活化粘合和（c）半固化粘合。在自然粘合中，在相应表面上将两块固化的PDMS复合物在不进行任何处理的情况下粘合在一起。这种粘合是可逆的，即根据需要其可以分离和粘合在一起很多次。对于等离子体活化粘合，将两块固化的PDMS复合物在等离子体环境（HarrickPlasma Cleaner PDC-001/002）下进行处理，然后粘合在一起。半固化粘合是将一块固化的PDMS复合物和另一块半固化的PDMS复合物粘合在一起然后将复合体完全固化的技术。后两种粘合技术是不可逆的，且强行分离将破坏PDMS复合物块的表面。在粘合强度测试试验中，制备了两块尺寸为8.5×8.5×2mm³的基于PDMS的复合物。其中一块包含不同的基于PDMS的复合物（A层），其包括纯PDMS、10%wtC+PDMS复合物、20%wt C+PDMS复合物、40%wt Ag+PDMS复合物和80%wt Ag+PDMS复合物。碳黑粉末可以来自于例如美国的VulcanXC72-R，Cabot Inc.。在A层上穿刺出直径约为1mm的孔。另一块（B层）为纯PDMS。上面所述的步骤或本领域已知的任何其它步骤可用于制备基于PDMS的复合物，皆可用于进行粘合强度测试，除了固化和等离子体活化时间是不同的。固化和等离子体活化时间的细节列在表1中。图11a和图11b示出了本发明一个实施方案中其中一个用于测试两层基于PDMS的复合物的粘合强度的装置。将70psi（大约483kPa）的压缩空气（CA）通过管道46送入装置中。CA穿过结头48，其可以控制系统中的空气压力，并使用最大测量压力为300psi（大约2.07MPa）的气压计50（Druck DPI 104 300psi g,S/N）测量空气压力。最后，通过PDMS复合物52阻挡CA。由将PDMS复合体分离回到两个PDMS层（A层54和B层56）的最小压力来定义粘合强度。对于每一种材料的每种粘合技术，测试30个样品。结果概括在图12中。从图12中发现，不可逆的粘合技术很大程度上增大了基于PDMS的复合物和纯PDMS的粘合的粘合强度。另外，图12示出了粘合强度或多或少独立于A层的PDMS中颗粒的质量浓度。对于等离子体活化粘合，如图13a所解释的，PDMS表面上的一些甲基基团（-CH3）被羟基团（-OH）取代。当两块PDMS放在一起，且在加热下，两个-OH基团缩合并形成氧键（-O-），如图13b所示，其为永久结合。对于半固化粘合，由于B层未完全固化，B层将与A层保持交联。

表1：固化和等离子体活化时间的细节

iii）二维（2D）电路板结构的制造

可以通过如图6所示的光刻技术或前面提到的激光雕刻技术制造2D电路板。对于激光雕刻技术，将步骤进行改进用于使基于PDMS的复合物的导电能力更好。在将Ag+PDMS复合物涂在沟道中之后，加热PDMS复合物至半固化。制备一块纯的PDMS并加热至半固化以形成2D电路板图案的支持物。将两块合并且在小的应力下固化在一起，使得在2D电路板的图案和支持物之间的大部分空气被迫从形成的复合体中脱掉。所发现的是，在脱气步骤中，新鲜的PDMS胶体会漏入固化的Ag+PDMS图案内部的空间中。漏入的纯PDMS将提高产生的Ag+PDMS复合物的电阻率。漏入的纯PDMS不会大程度影响微加热器，因为高电阻率实际上有利于微加热器的热效应。然而，由于电路板用于导电，因此Ag+PDMS的电阻率应该尽可能低。通过光刻法和激光雕刻技术，可以制造出任何尺寸的沟道宽度的2D电路板。图14a至14i示出了尺寸为10×10mm²的具有300μm沟道宽度的九个不同的电路板，且图14j示出了具有900μm沟道宽度的A4纸尺寸的电路板。对于本领域技术人员显而易见的是，2D电路板的尺寸和相应的沟道宽度不受图14a至14j所示的实施例的限制，其可以根据任何具体需要而特制。

iv）三维（3D）电路板结构的制造

可以通过与2D电路板类似的方法来制造3D电路板。图15a示出了本发明的具体实施例的具有50×50mm²尺寸的两层导电电路的俯视图。沟道横截面大约为500×800μm²。为了制造这种两层导电电路，通过使用激光雕刻技术先分别制造上层和下层，如图15b所示。首先使用激光切割系统雕刻两块PMMA载片(slides)（57a和57b）。然后将已雕刻的PMMA载片58a和58b分别和另一块PMMA载片（60a和60b）堆叠，以形成模具。然后将纯PDMS胶体62a和62b（固化前的复合物）涂在模具上。然后使胶体固化；在一个实施方案中，通过在80℃下烘干2小时使胶体固化。固化之后，将PDMS复合物64a（也称为上层）和64b（也称为下层）从模具中移除。然后在上层64a和下层64b的内表面涂覆一层盐水（未示出）。

在制成上层64a和下层64b后，将相应的垂直沟道对齐，且上层64a和下层64b相互面对面堆叠，如图15c所示。然后将纯PDMS65注入沟道之间的间隙中。然后，将整个复合体固化；在一个实施方案中，通过在80℃下烘干2小时使复合体固化。由于上层64a和下层64b的内表面上存在涂层，因此很容易从上层64a和下层64b中移除刚固化的PDMS复合物66。然后将刚固化的PDMS复合物66夹在两个另外已雕刻的PMMA载片68a和68b之间。随后，将Ag+PDMS胶体70a（固化前的复合物）注入沟道之间的间隙中。为了生产电路板的电极，将第三个雕刻的PMMA载片68c放置在已雕刻的PMMA载片68a上，然后用Ag+PDMS胶体70b填充额外的间隙。然后将整个复合物翻过来，并添加PMMA载片72作为复合物的支持物。然后用另一个Ag+PDMS胶体70c填充复合物另一面上沟道之间的间隙。然后将整个复合物固化并移除所有的PMMA载片（68a、68c和68e）。为了完全覆盖固化的Ag+PDMS复合物74，将塑料载片76放置在固化的复合物下面，然后将纯净的PMMA胶体78注入间隙中。固化后，固化的Ag+PDMS复合物74被纯净的PDMS复合物80完全覆盖，由此形成两层导电电路。该3D电路板的制造成本大约为港币$9.8。

v）生物微流体芯片中柔性导电板的制造

图16a演示了通过根据上述步骤制造的用于细胞培养的小的2D线路板（微加热器）84在生物微流体芯片82上的温度控制。在该实验中，如图16b所示培养HeLa细胞。细胞培养芯片的温度通过底层的微加热器保持在37℃下（与人体温度相同）。

至此充分地描述了本发明的示例性实施方案述。尽管描述涉及具体的实施方案，但对于本领域技术人员清楚的是，可以用这些具体细节的变化来实施本发明。因此该发明不应被理解为限制于本文给出的实施方案。

参考：

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6.X.Z.Liu,S.L.Peng,L.Y.Liu,W.J.Wen and P.Sheng,Advanced Materials,19(18)2682(2007).

7.J.L.Mietta,M.M.Ruiz,P.S.Antonel,O.E.Perez,A.Butera,G.Jorge and R.M.Negri,Langmuir,28 6985(2012).

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9.K.Danas,S.V.Kankanala,N.Triantafyllidis,Journal of the Mechanics andPhysics of Solids,60 120(2012).

10.P.S.Antonel,G.Jorge,O.E.Perez,A.Butera,A.G.Leyva and R.M.Negri,Journal of Applied Physics,110 043920(2011).

11.M.M.Ruiz,J.L.Mietta,P.S.Antonel,O.E.Rerez,R.M.Negri,G.Jorge,Journalof Magnetism and Magnetic Materials,327 11(2013).

Claims (20)

1.基于PDMS的复合物，包含：

a）PDMS胶体；和

b）分布在所述PDMS胶体内的多个导电颗粒；其中，所述基于PDMS的复合物中所述导电颗粒的重量百分数为86%至91%。

2.如权利要求1所述的基于PDMS的复合物，其中，所述导电颗粒选自银、镍、铁和金。

3.如权利要求2所述的基于PDMS的复合物，其中，所述基于PDMS的复合物中所述银的重量百分数为88%至90%。

4.如权利要求2所述的基于PDMS复合物，其中，所述基于PDMS的复合物中所述镍的重量百分数为87%至90%。

5.如权利要求3所述的基于PDMS的复合物，其中，所述基于PDMS的复合物的导电率为10^-2Sm^-1至10⁴Sm^-1。

6.如权利要求3所述的基于PDMS的复合物，其中，所述基于PDMS的复合物的杨氏模量为0.9MPa至2.1MPa。

7.如权利要求4所述的基于PDMS的复合物，其中，当将压应力施加至所述基于PDMS的复合物时，所述基于PDMS的复合物的电阻率小于10^-3Ωm。

8.如权利要求4所述的基于PDMS的复合物，其中，当施加至所述基于PDMS的复合物的压应力从0kPa增加至250kPa时，所述基于PDMS的复合物的电阻率下降大于7个数量级。

9.如权利要求1所述的基于PDMS的复合物，其中，所述导电颗粒为具有1.2μm至5μm平均尺寸的微尺寸金属颗粒。

10.如权利要求1所述的基于PDMS的复合物，其中，所述PDMS胶体进一步包含PDMS弹性体和PDMS硬化剂，其中所述PDMS弹性体和所述PDMS硬化剂在所述PDMS胶体中的重量比为10:1。

11.合成基于PDMS的复合物的方法，包括的步骤为：

a)使用低闪点溶剂润湿多个导电颗粒；

b)将所述多个导电颗粒与PDMS胶体混合；

c)使所述低闪点溶剂蒸发以形成混合物；以及

d)固化所述混合物以形成所述基于PDMS的复合物。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述导电颗粒选自银、镍、铁和金。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个导电颗粒为具有1.2μm至5μm平均尺寸的微尺寸金属颗粒。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述低闪点溶剂选自丙酮、己烷和庚烷。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述PDMS胶体进一步包含PDMS弹性体和PDMS硬化剂，其中所述PDMS弹性体和所述PDMS硬化剂在所述PDMS胶体中的重量比为10:1。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述蒸发步骤在室温下进行24小时。

17.如权利要求11所述的方法，其中，所述固化步骤进一步包括在60℃下对所述混合物加热48小时的步骤。

18.如权利要求11所述的方法，进一步包括超声处理所述多个导电颗粒的步骤；其中所述超声步骤的持续时间为15分钟。

19.如权利要求11所述的方法，其中，所述基于PDMS的复合物的导电率为10^-2Sm^-1至10⁴Sm^-1。

20.如权利要求11所述的方法，其中，所述导电颗粒在所述基于PDMS的复合物中的重量百分数为86%至91%。