CN104916773A - 电致变形薄膜阵列、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电致变形薄膜阵列、其制备方法及应用。该薄膜阵列包括电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层，该电连接层包括电连接线路，电气阻隔层；若干电触点，其一端穿过电气阻隔层，并与电连接线路的选定位点电性接触；该电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层依次层叠，并且其中所述电触点的另一端与电极阵列上的设定位点电性接触。其制备方法包括：分别加工形成前述各结构层，再将其加热加压结合获得目标产物。采用前述设计，可使各组件之间在加工时不会相互影响，并可大大提高电致变形薄膜阵列的单元数量规模。本发明可用于盲文显示，图形防伪和钥匙，变形镜面、三维图形显示、人机接口和压力成像等领域，具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种电致变形薄膜阵列、其制备方法及应用，属于材料科学领域。
背景技术
电致变形薄膜材料一种离子型电致动变形材料，具有质量轻、柔韧性好、驱动电压低、反应迅速和大变形等突出优点，可用于制作变形装置，也可用于力学传感装置，是近二十年来崛起且具有极大应用潜力的新型智能材料。
电致变形薄膜材料通常以条状或者块状整体使用，例如日本EAMEX公司开发了一种机器鱼产品，利用条状材料的弯曲变形推动鱼游动；美国环境机器人公司（ERI）利用电致变形薄膜条状材料的反复振动变形模拟鸟的飞翔动作；美国M. Shahinpoor利用多个条状电致变形薄膜材料制作微爪机构（“Design and test of IPMC artificial muscle microgripper. Journal of Micro-Nano”，《Mechatronics. 》，2008，4: 95–102）。从电致变形薄膜材料的变形特点来看，其变形幅度大而驱动力小，将其用于对驱动力有一定要求的领域，并不能充分发挥其变形优势。
日本Takagi等人利用该技术制作了多段IPMC材料驱动的水下机器人（“An analysis of increase of bending response in IPMC dynamics given uniform input”，《Proceedings of SPIE》， Vol. 6168, 616814, 2006），利用分段变形的材料模拟波动推动机器人前进。Guilly 等人制作八角形阵列变形单元用于阵列开关（“Nafion Based Smart Membrane as an Actuator Array”，《Proceedings of SPIE》，Vol. 4695，2002）。电致变形薄膜材料的多电极化能够更好的发挥材料的变形特性，但目前的应用开发较少，主要原因是相关工艺不过完善，主要包括两个方面的工艺：（1）电极单元图形化工艺；（2）电极引线工艺。
关于电极单元图形化工艺，目前已有一些研究。Nakabo利用激光雕刻的方式在电致变形表面切割电极得到多个电极单元，通过独立控制电极单元获得复杂的驱动特性（“Bio-mimetic soft robots with artificial muscles [C]”，《Proc. of SPIE》, 2004, 5648: 132-144)。Rossiter等人利用电火花切割的方式切割电极获得具有多段独立电极的电致变形薄膜材料（“Electrostatic and thermal segmentation of multi-segment IPMC sensor and actuctors.[C]”，《Proc.of SPIE》，2011，7976:C1-C8）。Zhen Chen等人采用MEMS工艺制作覆盖层阻止电极沉积的方法（“Monolithic fabrication of ionic polymer–metal composite actuators capable of complex deformation.[J]”，《Sensors and actuators A：Physical》，157(2):246-257）。西安交通大学陈花玲等人提出了一种IPMC 驱动器的选择性镀工艺（CN102953053A），结合化学方法沉积电极工艺的特点，来制作单元电极。
而有关引线方面的工艺方法极少，已有研究中，一种方法是对每个变形单元直接连接电线，由于导线有一定质量和约束力，不仅大大影响了单元的变形，而且电连接稳定性不能得到很好的保证；另一中方法是设计特殊形状的单元结构，将变形单元的电极延伸到薄膜边缘以便于施加电压，这种方法中电极引线会占用一定薄膜面积，不利于进行大规模的阵列设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的电致变形薄膜阵列及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电致变形薄膜阵列，包括电极膜、芯层膜、电极阵列以及电连接层，其中，所述电连接层包括：
电连接线路，
分布于电连接线路和电极阵列之间的电气阻隔层，
以及，一个以上电触点；
所述电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层沿设定方向依次层叠设置，并且其中所述电触点一端穿过所述电气阻隔层，并与所述电连接线路的选定位点电性接触，另一端与所述电极阵列上的设定位点电性接触。
一种电致变形薄膜阵列的制备方法，包括：
提供芯层膜、电极膜及电极阵列；
提供电连接层，包括：
在基体上形成具有设定结构的电连接线路，
在所述电连接线路上形成电气阻隔层，并加电气阻隔层上加工形成一个以上直达电连接线路的通孔，
在该一个以上通孔内加入导电材料，形成一个以上电接触点，且使所述电接触点与电连接线路上的选定位点电性接触；
将所述电极膜、芯层膜、电极阵列与电连接层沿设定方向依次设置，且使所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使该四者结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
进一步的，该制备方法可以包括：
将所述电极膜、芯层膜与电极阵列沿设定方向依次设置，并热压使该三者结合；
以及，将所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使所述电连接层与所述电极阵列结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
进一步的，该制备方法还可包括：
在第二衬底上形成电极膜层，并加工形成电极阵列，
以及，在将所述电极膜、芯层膜与电极阵列热压结合后，再除去所述第二衬底。
进一步的，该制备方法还可包括：
将可塑性聚合物与离子液体分散液涂覆于第一衬底上，蒸发除去溶剂后从所述第一衬底上剥离得到芯层膜，
所述可塑性聚合物包括热塑性聚氨酯或离子聚合物，例如可选自但不限于Nafion离子膜、Flemion离子膜。
进一步的，所述芯层膜的厚度为20~500μm。
进一步的，该制备方法还可包括：在第一衬底上涂覆导电材料的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层，所述导电材料可选用但不限于导电纳米颗粒、石墨烯或碳纳米管；
或者，在所述第一衬底上沉积或生长导电材料，形成所述电极膜或电极膜层。
进一步的，所述导电纳米颗粒可选用但不限于金属纳米颗粒，其材料可选自但不限于Au、Pt、Pd、Ag中的任意一种或两种以上的组合。
进一步的，该制备方法还可包括：在所述电极膜或电极膜层表面修饰氧化物，例如，如NiO，RuO2和MnO2，但不限于此。
进一步的，该制备方法还可包括：在第一衬底上涂覆含氧化镍与石墨烯和/或碳纳米管的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层。
进一步的，该制备方法还可包括：将所述电极膜或电极膜层置入含铵盐和镍盐的碱性溶液中，退火后获得具有三维结构修饰界面的电极膜或电极膜层。
进一步的，所述电极膜的厚度为1~20μm。
进一步的，所述电极阵列可选用但不限于Au电极阵列，且厚度优选为200nm~2μm。
进一步的，该制备方法还可包括：采用微加工方法对所述电极膜层进行处理，获得电极阵列，所述微加工方法包括激光雕刻、湿法蚀刻或等离子体蚀刻；
或者，采用具有设定图形结构的掩膜板掩盖并溅射导电材料，从而形成所述电极阵列。
进一步的，所述电极阵列中，任一阵列单元的尺寸为1mm-5cm。
进一步的，所述阵列单元的形状可选用但不限于方形、矩形、圆形、六边形或其类型形状。
进一步的，该制备方法还可包括：
提供基体，
结合掩模板在基体上形成至少一导电材料层作为电连接线路，
以及，在所述电连接线路上形成至少一绝缘材料层作为电气阻隔层。
进一步的，该制备方法还可包括：
结合掩模板，在基体上依次沉积第一金属层和第二金属层，形成电连接线路。
进一步的，所述基体的厚度优选为1~20μm，材料可选自但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯。
进一步的，所述第一金属层可选用但不限于厚度为5nm的铬层。
进一步的，所述第二金属层可选用但不限于厚度为100nm的Au层。
进一步的，所述电气阻隔层的厚度优选为0.1~5μm，材料可选用但不限于聚对二甲苯。
进一步的， 在电气阻隔层上加工通孔的方式包括激光烧蚀或等离子体刻蚀。
进一步的，所述电触点的材料可选用但不限于Au。
进一步的，该制备方法还可包括：
将电极膜、芯层膜与电极阵列压合后，再分割为复数个阵列单元，然后将所述阵列单元与电连接层结合，从而形成悬臂梁结构。此种设计的原理在于，因电触点偏高，悬臂梁可脱离电连接层。
前述电致变形薄膜阵列在电子、光学或光电器件中的应用，所述电子、光学或光电器件包括盲文显示器、基于图形识别的装置、自适应光学器件、三维图形显示器、人机接口装置或面压力成像装置。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
（1）该电致变形薄膜阵列中，电极阵列图形是在电极膜与芯层膜结合之前在衬底上通过激光雕刻等方式加工形成，无需考虑电极阵列加工过程中会对芯层膜造成损害；
（2）该电致变形薄膜阵列中专门增加了一层电引线层，这一引线层设计能大大提高电致变形薄膜阵列的单元数量规模。
附图说明
图1是本发明一典型实施方案中一种电致变形薄膜阵列的制备工艺流程，其中，a示出了电致变形薄膜材料组成及热压结合位置，b示出了电致变形薄膜材料阵列和电连接层及其热压结合位置；c示出了电致变形薄膜阵列的结构。
图2示出了本发明另一典型实施方案中一种电致变形薄膜阵列的制备工艺流程，其中a示出了电致变形薄膜阵列组成及其热压结合位置，b示出了电致变形薄膜阵列的结构。
图3a-图3b分别为本发明一实施例中一种电极阵列的剖面结构视图和主视图。
图4a为本发明一实施例中电连接层的制备工艺流程图；
图4b为本发明一实施例中电连接层的主视图。
图5a-图5b分别为本发明一实施例中电致变形薄膜阵列的变形和传感工作模式示意图。
图6a-图6d分别为不同电极阵列单元的示意图，图6e为阵列单元的变形示意图。
图7a-7b分别为电极阵列中悬臂梁结构阵列单元及其变形模式示意图。
图8为本发明一实施例中盲文显示器文字单元示意图（图中显示为英文h）。
图9为本发明一实施例中电致变形薄膜阵列控制的编码图形。
图10a为本发明一实施例中电致变形薄膜阵列控制的变形曲面示意图；
图10b为本发明一实施例中自适应光学中利用变形表面将被扰动的波前转化成平行的波前示意图。
图11为本发明一实施例中利用电致变形薄膜的压电效应制作的键盘示意图。
图12为本发明一实施例中利用电致变形薄膜的压电效应制作的压力成像阵列；
图13a-图13d分别为本发明一实施例中电致变形薄膜材料的变形和电压响应图谱。
其中各附图标记所指示的元件分别为：1为电极膜层；2为芯层膜层；3为电极阵列；4为电连接层；5为电致变形薄膜阵列，5’为变形后的电致变形薄膜阵列；6为电极阵列及电连接层；7为衬底；8为铬层和金层组成的电连接线路；9为PEN薄膜基体；10为Parylene沉积层；11为钻孔；12为金触点；13为盲文显示文字单元；14为编码图形；15为变形曲面；16为被扰动的波前；17为平行波前；18为电致变形薄膜制作的阵列按键；19为电致变形薄膜制作的阵列压力感应单元。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种电致变形薄膜阵列，其包括电极膜、芯层膜、电极阵列以及电连接层，其中，所述电连接层包括：
电连接线路，
分布于电连接线路和芯层膜之间的电气阻隔层，
以及，一个以上电触点，所述电触点一端穿过所述电气阻隔层，并与所述电连接线路的选定位点电性接触；
所述电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层沿设定方向依次层叠设置，并且其中所述电触点的另一端与所述电极阵列上的设定位点电性接触。
本发明的另一个方面提供了一种电致变形薄膜阵列的制备方法，其主要包括：
提供芯层膜、电极膜及电极阵列；
提供电连接层，包括：
在基体上形成具有设定结构的电连接线路，
在所述电连接线路上形成电气阻隔层，并加电气阻隔层上加工形成一个以上直达电连接线路的通孔，
在该一个以上通孔内加入导电材料，形成一个以上电接触点，且使所述电接触点与电连接线路上的选定位点电性接触；
将所述电极膜、芯层膜、电极阵列与电连接层沿设定方向依次设置，且使所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使该四者结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
在一实施方案中，参阅图1，可以先将所述电极膜、芯层膜与电极阵列沿设定方向依次设置，并热压使该三者结合，而后将所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使所述电连接层与所述电极阵列结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
在另一实施方案中，亦可参阅图2方式将电极阵列与电连接层加热加压结合后，再与电极膜、芯层膜等结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
显然，还可采用其它组合方式将该四者结合形成一整体，从而获得所述电致变形薄膜阵列。
藉由前述设计，可以将电极阵列与其它组成部分独立加工，而无需考虑电极阵列加工过程中会对芯层膜等造成损害。同时，通过增加电引线层，还可大大提高电致变形薄膜阵列的单元数量规模。
前述芯层膜可采用业界所知的各类材料和方法制备，例如，可以通过将可塑性聚合物与离子液体分散液涂覆于第一衬底上，蒸发除去溶剂后从所述第一衬底上剥离得到芯层膜，其中，所述可塑性聚合物可选用但不限于热塑性聚氨酯或离子聚合物。
同时，所述芯层膜的尺寸、厚度等亦可为业界习用的，进一步的，其厚度可优选为20~500μm。
而前述电极膜、电极膜层（电极阵列的前体）亦可采用业界所知的各类材料和工艺制备，例如，通过在第一衬底上涂覆导电材料的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层。
例如，导电材料可选用但不限于导电纳米颗粒、石墨烯或碳纳米管等，但不限于此。进一步的，其中导电纳米颗粒可选用但不限于金属纳米颗粒，其材料可选自但不限于Au、Pt、Pd、Ag中的任意一种或两种以上的组合。
较为优选的，还可在所述电极膜或电极膜层表面修饰氧化物，以提高其变形性能。
前述电极膜的尺寸、厚度等均可依据实际应用需而而调整，其中，其厚度优选为1~20μm。
又例如，也可通过物理/化学气相沉积法、溅射工艺、原位生长等工艺在第一衬底上沉积或生长金属或非金属导电材料，形成所述电极膜或电极膜层。
例如，可以采用Au形成电极膜层，进而加工成电极阵列，其厚度优选为200nm~2μm。
进一步的，还可采用微加工方法对所述电极膜层进行处理，获得电极阵列，所述微加工方法可选用但不限于激光雕刻、湿法蚀刻或等离子体蚀刻。
或者，作为可行实施方案之一，也可采用具有设定图形结构的掩膜板掩盖并溅射导电材料，从而形成所述电极阵列。
进一步的，所述电极阵列中，任一阵列单元的尺寸（长、宽、直径等）为1mm-5cm。
进一步的，所述阵列单元的形状可选用但不限于方形、矩形、圆形、六边形或其类型形状，以及不同形状的组合。
在一可行实施方案中，对于前述电连接层，其制备工艺可以包括：
提供基体，
结合掩模板在基体上形成至少一导电材料层作为电连接线路，
以及，在所述电连接线路上形成至少一绝缘材料层作为电气阻隔层。
其中，基体可采用业界所知的各种合适材料和规格，例如，其厚度优选为1~20μm，材料可选自但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯。
前述电气阻隔层亦可采用业界所知的各种合适材料和规格，例如，其厚度优选为0.1~5μm，材料可选用但不限于聚对二甲苯。
进一步的，可以采用激光烧蚀或等离子体刻蚀等方式在电气阻隔层上加工通孔。
前述电触点的材料可选用各种适用导电材料，例如Au。
进一步的，该制备方法还可包括：
在将电极阵列与电连接层结合之前，将电极阵列中的一个以上阵列单元切割形成悬臂梁结构。
前述电致变形薄膜阵列可应用各类电子、光学或光电器件中，例如，盲文显示器、基于图形识别的装置、自适应光学器件、三维图形显示器、人机接口装置或面压力成像装置，且不限于此。
在本发明的一更为具体的实施案例中，该电致变形薄膜阵列的制备方法，可以包括下述步骤：
（1）芯层材料和电极制备
芯层膜：将热塑性聚氨酯与离子液体分散液或离子聚合物与离子液体分散液涂覆到衬底上，蒸发溶剂后从衬底上剥离得到芯层膜。
电极膜：在衬底上涂布金属纳米颗粒分散液，或者石墨烯和/或碳管分散液，通过蒸发溶剂成膜，或者进一步利用氧化物修饰表面以提高复合材料的变形性能。
电极阵列：在衬底上沉积电极膜后，利用激光雕刻的方法在衬底上雕刻所需的电极阵列图形。
（2）电连接层制作
电引线（亦即电连接线路）：以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜为基体，结合掩膜板在PEN基体上溅射沉积5nm铬层和100nmAu层形成电连接线路；通过化学气相沉积在Au层上沉积Parylene作为电气阻隔层。
电触点：结合掩膜板利用激光烧蚀或者等离子体刻蚀Parylene沉积层打孔至Au引线层；结合掩膜板在孔洞中溅射沉积Au层做为电接触点。
（3）电致变形薄膜阵列成型
从上到下按电极膜-芯层膜-电极阵列的顺序放置，通过热压的方式使三层结合并从衬底剥离。其中，各阵列单元可根据需要采用激光切割制成悬臂梁结构。
（4）将电极阵列一侧与电连接层中的电接触点对准贴合，加热加压结合形成电致变形薄膜阵列结构。
进一步的，前述步骤（1）-（2）可以包括：电极膜和电极阵列材料可使用金属纳米颗粒分散液蒸发成膜，所述纳米颗粒包括至少由Au、Pt、Pd、Ag中的任意一种形成的纳米颗粒；也可以使用氧化镍-石墨烯/碳管纳米分散液蒸发成膜；
进一步的，也可以将形成的膜进一步置入铵盐和镍盐的碱性溶液中，退火后得到三维结构修饰界面的电极膜；
这类电极膜厚度范围为1~20μm。电极阵列使用沉积Au电极阵列时，厚度范围为200nm~2μm。
进一步的，步骤（2）可以包括：电连接引线的线路是以1~20μm厚聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜为基体，以电引线形状为镂空图形制作掩膜板，通过溅射沉积的方式在PEN基体上沉积5nm铬层和100nmAu层而制成，并通过化学气相沉积（CVD）方法在Au层上沉积一层0.1~5μm的Parylene作为电气阻隔层，防止电引线与电极阵列完全接触。
进一步的，步骤（2）可以包括：电连接层与电极阵列是通过接触点连接的，以电引线连接层与电极阵列接触点形状的镂空掩膜板为掩盖，在接触点位置利用激光器烧蚀或者等离子体刻蚀Parylene沉积层打孔至Au引线层；然后结合掩膜板在孔洞中溅射沉积Au层作为电接触点。
进一步的，步骤（3）可以包括：电致变形薄膜阵列中阵列单元可以随阵列膜整体变形；也可以在电极阵列与电连接层结合之前，采用激光切割的方式将电极阵列中的阵列单元切割成悬臂梁结构，使单个单元独立变形。
进一步的，前述电致变形薄膜阵列可用于盲文显示器时驱动阵列凸点；用于基于图形识别的防伪和钥匙等装置时驱动产生特异曲面图形；用于自适应光学应用领域时驱动变形镜面；用于三维图形显示器时驱动阵列像素点。
进一步的，前述电致变形薄膜阵列的压电效应可用于柔性键盘、写字板和方向杆等人机接口装置；用于面压力成像装置。
本发明提供了一种更为有效的电致变形薄膜的阵列化制备工艺，能充分发挥其变形优势，从而更为广泛地拓展电致变形薄膜材料在变形光学、消费电子和微操作器械、力学传感等领域的应用。
需要说明的是，在前文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下进一步结合若干实施例对本发明的技术方案作更为具体的说明。
实施例1 一种基于热塑性聚氨酯芯层的电致变形薄膜阵列的制备方法，包括下述步骤：
（1）芯层膜：将热塑性聚氨酯与离子液体分散液涂覆到衬底上，蒸发溶剂后从衬底上剥离得到100μm厚的芯层膜2。
（2）电极膜：将金属Ag纳米颗粒分散液涂布到衬底上，蒸发溶剂后得到5μm厚的Ag纳米聚合物电极膜1。
（3）电极阵列：如图3所示，在衬底上沉积电极膜1后，利用激光雕刻的方法在衬底上雕刻所需的电极阵列图形（简称电极阵列3）。
（4）电连接层：如图4a所示，以4μm聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜9为基体，以图4b中电引线形状为镂空图形制作掩膜板，将掩膜板盖在基体上，通过蒸发沉积的方式在PEN基体上沉积5nm铬层和100nmAu层形成电连接线路8；通过化学气相沉积（CVD）方法在Au层上沉积一层2μm的Parylene作为电气阻隔层10。以电引线连接层与电极阵列接触点形状的镂空掩膜板为掩盖，在接触点位置处，利用激光器烧蚀或者等离子体刻蚀Parylene沉积层打孔11至Au引线层；同样以接触点阵列形状的镂空掩膜板作为掩盖，通过蒸发沉积的方式沉积Au填补孔洞并作为电接触点12，接触点超出Parylene层，最终得到电引线层4（亦即，前述电连接层）。
（5）电致变形薄膜阵列成型：再请参阅图1所示，以电极膜1为上电极，以电极阵列3为下电极，从上到下按上电极-芯层膜2-下电极的顺序放置，通过热压的方式使三层结合并从衬底剥离，将下电极一侧与电极引线层（亦即，前述电连接层）的电接触点对准贴合，加热加压结合形成电致变形薄膜阵列结构5。
该电致变形薄膜阵列至少具有两种工作方式，其中：
请参阅图5a，电致变形的工作方式是，电极膜作为地，电极阵列的阵列单元上施加不同的电压；
请参阅图5b，传感的工作方式是，电极膜作为地，电极阵列的阵列单元作为输出信号的单元电极。
实施例2 一种基于离子聚合物Nafion芯层的电致变形薄膜阵列的制备方法，包括下述步骤：
（1）芯层膜：将Nafion离子膜与离子液体分散液涂覆到衬底上，蒸发溶剂后从衬底上剥离得到100μm厚的芯层膜2。
（2）电极膜：将石墨烯和碳纳米管以一定比例溶于有机溶剂形成分散液，在衬底7上涂布分散液，蒸发溶剂后形成一定厚度石墨烯/碳纳米管膜。将石墨烯/碳纳米管膜置入铵盐和镍盐的碱性溶液中，保温、清洗、退火得到5μm厚的氧化镍-石墨烯/碳纳米管纳米电极膜1。
（3）电连接层：请参阅图4a所示，以4μm聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜9为基体，以图4b中电引线形状为镂空图形制作掩膜板，将掩膜板盖在基体上，通过蒸发沉积的方式在PEN基体上沉积5nm铬层和100nmAu层形成电连接线路8；通过化学气相沉积（CVD）方法在Au层上沉积一层2μm的Parylene作为电气阻隔层10。以电引线连接层与电极阵列接触点形状的镂空掩膜板为掩盖，在接触点位置处，利用激光器烧蚀或者等离子体刻蚀Parylene沉积层打孔11至Au引线层；同样以接触点阵列形状的镂空掩膜板作为掩盖，通过蒸发沉积的方式沉积Au填补孔洞并作为电接触点12，接触点超出Parylene层。以图3中阵列电极形状的镂空掩膜板为掩盖，通过蒸发沉积的方式在Parylene层上沉积5nm铬层和300nm的Au层作为阵列电极。最终得到电极阵列及电连接层6。
（4）电致变形薄膜阵列成型：再请参阅图2所示，以电极膜1为上电极，按照上电极-芯层膜2-电极阵列及电连接层6的顺序贴合，通过热压的方式使二者结合形成电致变形薄膜阵列结构5。
请继续参阅图13a-图13d所示系该电致变形薄膜材料的变形和电压响应图谱：
（1）施加2V电压，电致变形材料产生的变形幅值如下（图13a为位移，图13b为施加电压）：
（2）按压材料产生的电压响应如下（图13d为直接产生的脉冲电压响应，图13c为经过积分电路后的电压稳态响应）。
实施例3 一种悬臂梁结构的电致变形薄膜阵列的制备方法，包括下述步骤：
（1）芯层膜：将热塑性聚氨酯与离子液体分散液涂覆到衬底上，蒸发溶剂后从衬底上剥离得到100μm厚的芯层膜2。
（2）电极膜：将石墨烯和碳纳米管以一定比例溶于有机溶剂形成分散液，在衬底7上涂布分散液，蒸发溶剂后形成一定厚度石墨烯/碳纳米管膜。将石墨烯/碳纳米管膜置入铵盐和镍盐的碱性溶液中，保温、清洗、退火得到5μm厚的氧化镍-石墨烯/碳纳米管纳米电极膜1。
（3）电极阵列：在衬底上沉积电极膜1后，参阅图6b所示，利用激光雕刻的方法在衬底上雕刻矩形电极阵列图形。
（4）电连接层：如图4a所示，以4μm聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜9为基体，以图4b中电引线形状为镂空图形制作掩膜板，将掩膜板盖在基体上，通过蒸发沉积的方式在PEN基体上沉积5nm铬层和100nmAu层形成电连接线路8；通过化学气相沉积（CVD）方法在Au层上沉积一层2μm的Parylene作为电气阻隔层10。以电引线连接层与电极阵列接触点形状的镂空掩膜板为掩盖，在接触点位置处，利用激光器烧蚀或者等离子体刻蚀Parylene沉积层打孔11至Au引线层；同样以接触点阵列形状的镂空掩膜板作为掩盖，通过蒸发沉积的方式沉积Au填补孔洞并作为电接触点12，接触点超出Parylene层。最终得到电引线层4。
（5）电致变形薄膜阵列成型：如图1所示，以电极膜1为上电极，以电极阵列3为下电极，从上到下按上电极-芯层膜2-下电极的顺序放置，通过热压的方式使三层结合，剥离电极阵列一侧衬底，利用激光切割的方式切割得到图7a所示的悬臂梁结构。将下电极3一侧与电极引线层4的电接触点对准贴合，加热加压结合形成电致变形薄膜阵列结构5。
实施例4 电致变形薄膜阵列制作盲文显示器：
首先采用实施例3中所述方法，利用电致变形薄膜阵列制作六单元的悬臂梁结构阵列13；然后从上到下依次放置六孔硬孔板、柔软聚合物薄膜和电致变形薄膜阵列构成盲文显示器文字单元。给左侧第一、第二和右侧第二个点施加电压，使相应悬臂梁单元变形顶起柔软聚合物薄膜产生凸点，如图8所示，显示英文盲文文字h。
实施例5 电致变形薄膜阵列制作图形编码装置：
采用实施例4中所述方法，将阵列规模扩大化，制作如图9所示的大规模阵列单元14。当通过计算机编码给其中部分阵列单元施加驱动电压，相应的点单元被驱动产生凸起，从而形成一特定的阵列图形，这一图形可被用于基于图形识别的防伪和钥匙。采用实施例1或者2中所述方法，制作单元随材料膜整体变形的大规模阵列；采用不同单元形状和阵列分布方式；施加不同幅值的电压，能够获得更为复杂的图形，提高被仿制的难度。
实施例6 电致变形薄膜阵列制作变形曲面装置：
采用实施例1或者2中所述方法，制作单元随材料膜整体变形的大规模阵列。这一阵列可应用于变形镜面15，如图10a所示，通过控制器给每个单元独立施加电压时，产生变形的曲面；如图10b所示，当曲面的形状与被扰动的入射波16前吻合时，反射波被还原成平行波前17，能够大大提高成像分辨率。这一阵列还可用于三维表面显示器，用于立体显示实体图形，例如地形图。
实施例7 电致变形薄膜阵列制作人机交互装置：
采用实施例1或者2中所述方法，制作单元随材料膜整体变形的大规模阵列。该薄膜阵列可用于制作人机接口装置，触摸和按压某一单元18会产生电脉冲信号，通过扫描检测可以读取某一按键或者位置的动作。如果11所示，利用电致变形薄膜阵列制作软键盘，通过扫描接口电极19的电脉冲信号，可以读取相应的动作按键18。相应原理可以应用于写字板和控制杆的感应部件。
实施例8 电致变形薄膜阵列制作压力成像装置：
采用实施例1或者2中所述方法，制作单元随材料膜整体变形的大规模阵列。电致变形薄膜阵列可用于制作压力成像装置，触摸和按压某一单元18会产生电压信号，通过转换可获得相应压力大小，扫描阵列单元电极接口19的电压信号可以计算出阵列不同位置处的压力分布，可用于制作微动敏感床垫监护病人、足底压力监测鞋垫、拳击力测量、武术护具的力感应器等。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种电致变形薄膜阵列，包括电极膜、芯层膜和电极阵列，其特征在于它还包括电连接层，所述电连接层包括：
电连接线路，
分布于电连接线路和电极阵列之间的电气阻隔层，
以及，一个以上电触点；
所述电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层沿设定方向依次层叠设置，并且其中所述电触点一端穿过所述电气阻隔层，并与所述电连接线路的选定位点电性接触，另一端与所述电极阵列上的设定位点电性接触。
2.一种电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
提供芯层膜、电极膜及电极阵列；
提供电连接层，包括：
在基体上形成具有设定结构的电连接线路，
在所述电连接线路上形成电气阻隔层，并加电气阻隔层上加工形成一个以上直达电连接线路的通孔，
在该一个以上通孔内加入导电材料，形成一个以上电接触点，且使所述电接触点与电连接线路上的选定位点电性接触；
将所述电极膜、芯层膜、电极阵列与电连接层沿设定方向依次设置，且使所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使所述电极膜、芯层膜、电极阵列与电连接层结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
3.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
在第二衬底上形成电极膜层，并加工形成电极阵列，
以及，在将所述电极膜、芯层膜与电极阵列热压结合后，再除去所述第二衬底。
4.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
将可塑性聚合物与离子液体分散液涂覆于第一衬底上，蒸发除去溶剂后从所述第一衬底上剥离得到芯层膜，
所述可塑性聚合物包括热塑性聚氨酯或离子聚合物。
5.根据权利要求2或3所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
在第一衬底上涂覆导电材料的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层，
其中，所述导电材料包括导电纳米颗粒、石墨烯或碳纳米管，所述导电纳米颗粒包括金属纳米颗粒，
所述金属纳米颗粒的材料包括Au、Pt、Pd、Ag中的任意一种或两种以上的组合；
或者，在所述第一衬底上沉积或生长导电材料，形成所述电极膜或电极膜层。
6.根据权利要求5所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
在第一衬底上涂覆含金属氧化物与石墨烯和/或碳纳米管的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层；
以及，将所述电极膜或电极膜层置入含铵盐和可溶性金属盐的碱性溶液中，退火后获得具有三维结构修饰界面的电极膜或电极膜层；
其中，所述金属氧化物包括NiO、RuO2、MnO2，所述可溶性金属盐包括镍盐。
7.根据权利要求2-4、6中任一项所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于所述电极膜的厚度为1~20μm。
8.根据权利要求2-4中任一项所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于所述电极阵列包括Au电极阵列，且厚度为200nm~2μm。
9.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
采用微加工方法对所述电极膜层进行处理，获得电极阵列，所述微加工方法包括激光雕刻、湿法蚀刻或等离子体蚀刻；
或者，采用具有设定图形结构的掩膜板掩盖并溅射导电材料，从而形成所述电极阵列。
10.根据权利要求2或3或9所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于所述电极阵列中阵列单元的形状包括方形、矩形、圆形或六边形。
11.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：
提供基体，
结合掩模板在基体上形成至少一导电材料层作为电连接线路，
以及，在所述电连接线路上形成至少一绝缘材料层作为电气阻隔层。
12.根据权利要求11所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：结合掩模板，在基体上依次沉积第一金属层和第二金属层，形成电连接线路，
其中，所述基体的厚度为1~20μm，材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯；
所述第一金属层包括厚度为5nm的铬层，
所述第二金属层包括厚度为100nm的Au层。
13.根据权利要求2或11或12所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于所述电气阻隔层的厚度为0.1~5μm，材料包括聚对二甲苯。
14.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于，在电气阻隔层上加工通孔的方式包括激光烧蚀或等离子体刻蚀。
15.根据权利要求2所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于所述电触点的材料包括Au。
16.根据权利要求3所述电致变形薄膜阵列的制备方法，其特征在于包括：将电极膜、芯层膜与电极阵列压合后，再分割为复数个阵列单元，然后将所述阵列单元与电连接层结合，从而形成悬臂梁结构。
17.权利要求1-16中任一项所述电致变形薄膜阵列在电子、光学或光电器件中的应用，所述电子、光学或光电器件包括盲文显示器、基于图形识别的装置、自适应光学器件、三维图形显示器、人机接口装置或面压力成像装置。
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