CN105703734A - 基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置 - Google Patents

基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置。铌酸锂晶片上制造一对叉指电极，无盖的PDMS腔体覆盖在铌酸锂晶片的正中央，两个叉指电极分别位于PDMS腔体的两侧并呈对称分布，PDMS腔体内充满由光敏材料和纳米银线组成的液态预聚物，UV固化灯置于铌酸锂晶片下方；启动信号发生器，压电晶片受到高频交变电场的作用而激发声表面波，通过调节信号发生器的输出频率使PDMS腔体覆盖区域形成稳定的驻波场；纳米银线线性排布，待排布稳定后，采用UV固化灯对PDMS腔体进行照射，使液态预聚物固化成型。本发明能实现快速制造柔性的微米线电极，具有操作简便、可控性强和生产效率高等特点。

Description

基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置
技术领域
本发明涉及一种柔性线电极的制造技术，尤其是涉及了一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置。
背景技术
随着电子产品的高速更新换代与广泛应用，传统的刚性、不透明的电子元器件在力学、电学性能和制造过程等方面已经无法满足当今医疗、工业和军用等领域对某些产品的特殊需求。针对柔性可穿戴、可植入设备、触屏和太阳能电池等电子系统，制造其中承担能量传导和信息传输作用的柔性电极是当下研究的热点和难题。柔性电路(FC)是一种将金属附着在柔性基板上而兼具导电性和柔性的特殊电路，FC的主要结构包含聚酰亚胺基板、导电铜箔，粘合剂和表面绝缘保护膜，具有重量轻，厚度薄和柔韧性好等特点。由于FC的制作工艺较为繁琐，生产周期很长，同时存在镀膜和刻蚀等流程，因此材料利用率很低。
铟锡氧化物(ITO)膜是一种N型半导体材料，具有电导率较高、化学稳定性好和透明度高等特点，常被用于沉积在柔性材料上制作柔性导电薄膜。但基于ITO材料制备的导电薄膜柔性较低，弯曲条件下很容易发生断裂，并且ITP材料价格昂贵，加之制造过程中材料的利用率很低，因此ITO材料的发展与应用受到了很大的制约。由于具有电阻小和价格低廉等特点，纳米银线在一定程度上可以取代ITO作为制造柔性电极的功能材料，通过改变纳米银线在有机物基底的涂布或混合密度，可以改变由其制造导电材料的电阻率和透光性能。但是，无论采用何种材料制备微米级别的线电极，都要经过进一步的加工，比如电化学腐蚀，或机械切割，因此生产效率很低。
声表面波是一种沿物体表面传播的弹性波，其能量集中在表面上若干个波长范围内。由于声表面波的传播速度比电磁波低5个数量级，因此，更容易被取样和处理。基于上述优点，利用声表面波可以实现电子学多种功能的模拟，因而极大促进了电子元器件的小型化和多功能化。除此之外，由于声表面波能量较为集中且可控性强，因此国外有大批学者采用声表面波进行微粒子操纵，利用其声辐射力可以实现对微米级和亚微米级粒子进行线性、阵列排布及移动。因此可以采用声表面波对纳米银线颗粒进行线性排布，再通过紫外光固化作用使有机物基底连同纳米银线一起固化，从而实现线电极的快速制造。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法：
1)构建由压电晶片和叉指电极组成的一对声表面波换能器，并在声表面波换能器之间放置PDMS腔体，使PDMS腔体覆盖在压电晶片正中央；
2)将光敏材料与纳米银线配置成液态预聚物，并通过微量注射泵的控制将其注入PDMS腔体；
3)将声表面波换能器与信号发生器的两个输出通道相连，启动信号发生器，压电晶片在高频交变电场的作用下，其表面会产生高频振动并形成沿叉指电极垂直方向上传播的声表面波，通过调节信号发生器的输出频率，使PDMS腔体覆盖区域产生稳定的驻波场；
4)液态预聚物中的纳米银线在驻波场中受到声辐射力的作用向附近的节线位置移动，使得纳米银线在液态预聚物中的线性排布；
5)待液态预聚物中的纳米银线线性排布稳定后，采用UV固化灯对PDMS腔体进行照射，使含有线性排布纳米银线的液态预聚物固化成型，从而获得含有线性排布纳米银线的柔性微米线电极。
所述步骤通过改变声表面波换能器的工作频率，调节驻波场中节线的分布距离，从而调整纳米银线排布的间距，最终获得具有不同银线排布特征的柔性微米线电极。
所述的液态预聚物包括光敏材料与纳米银线，并通过超声搅拌混合处理得到。
所述的光敏材料以环氧丙烯酸树脂为基底，以安息香双甲醚作为光交联剂，两者混合而成，质量比为97：3。
所述的纳米银线作为导电介质，直径约为100nm，长度约为10μm，纳米银线在液态预聚物中的填充量为15％。
所述的声表面波换能器为均匀等周期叉指换能器、能激发单方向传播声表面波的单相单向型声表面波换能器或者具有多共振频率的叉指换能器。
二、一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造装置：
包括铌酸锂晶片、叉指电极、PDMS腔体和UV固化灯，在铌酸锂晶片上形成有一对平行的叉指电极，叉指电极与铌酸锂晶片构成声表面波换能器，声表面波换能器与信号发生器的两个输出通道相连，无盖的PDMS腔体覆盖在铌酸锂晶片的正中央，两个叉指电极分别位于PDMS腔体的两侧并呈对称分布，PDMS腔体内充满有液态预聚物，UV固化灯置于PDMS腔体正下方。
所述的叉指电极包括位于上层的金和位于下层的铬，50nm厚度的铬在底层，150nm厚度的金在顶层，叉指电极通过光刻与蒸镀的方法在铌酸锂晶片上形成。
所述的液态预聚物包括光敏材料与纳米银线，光敏材料以丙烯酸环氧树脂为基底，以安息香双甲醚作为光交联剂，两者混合而成，质量比为97：3；纳米银线作为导电介质，其直径约为100nm，长度约为10μm，纳米银线在液态预聚物中的填充量为15％。
所述的声表面波换能器为均匀等周期叉指换能器、能激发单方向传播声表面波的单相单向型声表面波换能器或者具有多共振频率的叉指换能器。
本发明首先利用声表面波驻波场中的辐射力实现纳米银线在基底材料中的线性排布，并应用UV光固化反应使含有线性排布纳米银线的液态预聚物固化成型。通过改变纳米银线在液态预聚物中的相对含量，可以调节柔性微米线电极的电阻率。采用不同工作频率的声表面波换能器进行制造，可以获得纳米银线排布间距不同的柔性微米线电极。
本发明的PDMS腔体即为聚二甲基硅氧烷腔体。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过声表面波的辐射力作用，实现液态预聚物中的纳米银线的线性快速自组装排布，结合UV固化成型过程，实现柔性微米线电极的快速制造；
本发明通过调节声表面波换能器工作的频率，可以调整纳米银线的排布间距，从而实现柔性微米线电极的多尺度制造。
本发明通过改变纳米银线在液态预聚物中的相对含量，可以实现导电性从半导体级别到金属级别的柔性微米线电极的制造，因此适用范围广。
本发明具有设备简单、操作简便、能耗低的特点。
附图说明
图1是本发明的装置结构图。
图2是本发明启动声表面波换能器及UV固化灯后的成型示意图。
图3是本发明的未施加声表面波的液态预聚物。
图4是本发明制造的柔性微米线电极的示意图。
图中：1.叉指电极，2.铌酸锂晶片，3.PDMS腔体，4.液态预聚物，5.UV固化灯，6.含有线性排布纳米银线的柔性微米线电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明的制造装置包括铌酸锂晶片2、叉指电极1、PDMS腔体3和UV固化灯5，铌酸锂晶片2上制造有一对叉指电极1，叉指电极1与铌酸锂晶片2构成声表面波换能器，声表面波换能器与信号发生器的两个输出通道相连，无盖的PDMS腔体3覆盖在铌酸锂晶片2的正中央，两个叉指电极1分别位于PDMS腔体3的两侧并呈对称分布，PDMS腔体3内充满有液态预聚物4，UV固化灯5置于铌酸锂晶片2下方，并位于PDMS腔体3正下方。
叉指电极1的材料包含两种金属，50nm厚度的铬在底层，150nm厚度的金在顶层，叉指电极1通过光刻与蒸镀的方法在铌酸锂晶片2上形成。
液态预聚物4包括光敏材料与纳米银线，光敏材料以丙烯酸环氧树脂为基底，以安息香双甲醚作为光交联剂，两者混合而成，质量比为97：3；纳米银线作为导电介质，其直径约为100nm，长度约为10μm，纳米银线在液态预聚物中的填充量为15％。
优选的声表面波换能器为能激发单方向传播声表面波的单相单向型声表面波换能器。
本发明的实施例及其具体实施过程如下：
首先，对悬浮有与纳米银线具有相同尺度的ABS塑料颗粒进行了排布实验，实验中采用的声表面波换能器的工作频率为28.7MHz，对应的波长为140μm，在该换能器激发的声表面波驻波场中，节线间距70μm(波长的一半)。实验过程中，塑料颗粒在声表面波的声辐射力作用下，在5s之内产生了稳定的线性排布，其排布间距约为70μm，与理论分析较为一致。
具体实施通过调节信号发生器的输出相位，实现了呈线性排布塑料颗粒的整体移动；并且采用具有不同工作频率的声表面波换能器进行制造，获得了排布间距不同的微米线电极。
接着，对于光敏材料与纳米银线组成的液态预聚物，如图1形成本发明的装置结构，采用以下如下过程制备电极：
1、先制备叉指电极和PDMS腔体：在铌酸锂(LiNO3)晶片2上旋涂一层正性光刻胶，采用预先制作的掩膜板进行掩膜曝光，随后洗去曝光的光刻胶，在晶片上获得与金属电极形状相同的无胶区域；首先采用蒸镀的方法在光刻后的铌酸锂晶片上沉积一层厚度为50nm的金属铬，随后继续沉积一层厚度为150nm的金属金，蒸镀结束后采用丙酮溶解掉残余的光刻胶及多余的金属薄膜；
再采用铣削的方式制作钢质模具，浇注PDMS后加热固化，获得PDMS腔体，并将PDMS腔体覆盖在铌酸锂晶片中央区域，与声表面波换能器的中心线呈左右对称分布；
2、液态预聚物包含光敏材料和导电介质两部分，其中光敏材料的基底为环氧丙烯酸树脂，光交联剂为安息香双甲醚，丙烯酸环氧树脂和安息香双甲醚的质量比是97：3，导电介质是直径约为100nm，长度约为10μm的纳米银线，按照15％的含量加入到光敏材料中，并进行超声搅拌混合处理。
3、将制造装置放置在水平工作台上，将声表面波换能器与信号发生器的两个通道相连，将PDMS腔体覆盖在压电晶片中部；使液态预聚物进入并充满PDMS腔体，如图1所示；
4、启动信号发生器后，压电晶片受到高频交变电场的作用，表面会产生高频振动并形成沿与电极垂直方向传播的声表面波，通过调节信号发生器的输出频率，使PDMS腔体覆盖区域产生稳定的驻波场；
5、液态预聚物中的纳米银线在驻波场中受到声辐射力的作用，向附近的声场节线移动，从而在液体中形成线性排布；通过使用工作频率不同的声表面波换能器，可以获得具有节线分布距离不同的驻波场，因而可以相应的改变纳米银线的线性排布间距；
6、当液态预聚物中的纳米银线排布稳定后，采用UV固化灯对其照射，如图2所示，使液态预聚物固化成型，获得含有线性排布纳米银线的柔性微米线电极6，固化前的液态预聚物如图3所示，最终得到的固化物如图4所示。
由实施例可见，本发明实现了柔性微米线电极的快速制造，操作简便、能耗低，适用范围广。

Claims (10)

1.一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于包括以下各步骤：
(1)构建由压电晶片和叉指电极组成的一对声表面波换能器，并在声表面波换能器之间放置PDMS腔体，使PDMS腔体覆盖在压电晶片正中央；
(2)将光敏材料与纳米银线配置成液态预聚物，并通过微量注射泵的控制将其注入PDMS腔体；
(3)将声表面波换能器与信号发生器的两个输出通道相连，启动信号发生器，压电晶片在高频交变电场的作用下，其表面会产生高频振动并形成沿叉指电极垂直方向上传播的声表面波，通过调节信号发生器的输出频率，使PDMS腔体覆盖区域产生稳定的驻波场；
(4)液态预聚物中的纳米银线在驻波场中受到声辐射力的作用向附近的节线位置移动，使得纳米银线在液态预聚物中的线性排布；
(5)待液态预聚物中的纳米银线线性排布稳定后，采用UV固化灯对PDMS腔体进行照射，使含有线性排布纳米银线的液态预聚物固化成型，从而获得含有线性排布纳米银线的柔性微米线电极(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)通过改变声表面波换能器的工作频率，调节驻波场中节线的分布距离，从而调整纳米银线排布的间距，最终获得具有不同银线排布特征的柔性微米线电极(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述的液态预聚物(4)包括光敏材料与纳米银线，并通过超声搅拌混合处理得到。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述的光敏材料以环氧丙烯酸树脂为基底，以安息香双甲醚作为光交联剂，两者混合而成，质量比为97：3。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述的纳米银线作为导电介质，直径约为100nm，长度约为10μm，纳米银线在液态预聚物中的填充量为15％。
6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述的声表面波换能器为均匀等周期叉指换能器、能激发单方向传播声表面波的单相单向型声表面波换能器或者具有多共振频率的叉指换能器。
7.用于实施权利要求1所述方法的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造装置，其特征在于：包括铌酸锂晶片(2)、叉指电极(1)、PDMS腔体(3)和UV固化灯(5)，在铌酸锂晶片(2)上形成有一对平行的叉指电极(1)，叉指电极(1)与铌酸锂晶片(2)构成声表面波换能器，声表面波换能器与信号发生器的两个输出通道相连，无盖的PDMS腔体(3)覆盖在铌酸锂晶片(2)的正中央，两个叉指电极(1)分别位于PDMS腔体(3)的两侧并呈对称分布，PDMS腔体(3)内充满有液态预聚物(4)，UV固化灯(5)置于PDMS腔体(3)正下方。
8.根据权利要求7所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造装置，其特征在于：所述的叉指电极(1)包括位于上层的金和位于下层的铬，叉指电极(1)通过光刻与蒸镀的方法在铌酸锂晶片(2)上形成。
9.根据权利要求7所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造装置，其特征在于：所述的液态预聚物(4)包括光敏材料与纳米银线，光敏材料以丙烯酸环氧树脂为基底，以安息香双甲醚作为光交联剂，两者混合而成，质量比为97：3；纳米银线作为导电介质，其直径约为100nm，长度约为10μm，纳米银线在液态预聚物中的填充量为15％。
10.根据权利要求7所述的一种基于声表面波的柔性微米线电极的制造方法，其特征在于：所述的声表面波换能器为均匀等周期叉指换能器、能激发单方向传播声表面波的单相单向型声表面波换能器或者具有多共振频率的叉指换能器。
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