CN106793536B - 一种基于微流控技术的柔性电子制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控技术的柔性电子制作方法，其包括以下步骤：提供一个同轴针头；提供柔性聚合基底材料，并在所述柔性聚合基底材料内添加表面活性剂以形成柔性组合物；提供平板，并在所述平板的表面上涂一层预定厚度的所述柔性组合物；将所述柔性组合物及导电液体分别置于两个微型泵内，并将两个所述微型泵的出口分别连接于所述同轴针头；先后开启收容有所述导电液体的微型泵及收容有所述柔性组合物的微型泵，并基于微流控技术分别控制两个所述微型泵的压力及流量；待所述同轴针头内的所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构，通过3D打印将所述层流结构按照预先设定的几何形状打印在所述平板上，待打印成型后固化成型。

Description

一种基于微流控技术的柔性电子制作方法
技术领域
本发明属于柔性电子制作相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微流控技术的柔性电子制作方法。
背景技术
柔性电子具备良好的延展特性，适用于生产制造工作在高频振动和极端温度引起的力学/热变形环境下的设备，如航天通信系统、机器人表面皮肤设计、可穿戴设备和柔性显示等领域。现阶段实现柔性电子的可伸展/弯曲特性，一方面可以通过选用更具延展性的金属材料，另一方面优化金属材料/柔性基底之间的力学性能，减缓和降低材料的疲劳应力。
传统的金属导电材料如铜箔、铝箔等具备很高的导电性，但其延展性较差，在过渡形变或者疲劳条件下容易断裂失效。因此，同时具备高电导率和良好延展性的材料对于柔性电子的研发生产加工显得十分重要。相较于固体材料，液体形态的材料天然具备良好的流动性。以汞和镓铟合金为例，其在常温下就能呈现稳定的液体状态，使用时无需进行热融化，加工过程中能保持稳定的液态；加工完成后，其形态可以随着弹性体的形变而改变形态，不会出现磨损、开裂及局部的分层剥离等问题，而这些正是导致柔性电子报废的主要原因。由于液态导电材料的这些优良特性，其在柔性电子领域有着极大的应用前景。此外，电路和柔性基体的集成过程多为分开制造再组装，虽然采用了预变形、梯形结构等方法来改善形变过程中电路和柔性材料之间的力学性质差异，增加其寿命和延展性，但如此一来将会增加加工和封装过程的复杂度和制造成本。
目前，针对液态导电材料的柔性电子加工手段中具有直写、微接触印刷/压印、微通道注入等方式，由于液态金属暴露在空气中极易氧化，形成的氧化层会堵塞打印设备的喷嘴，因此其直接打印的过程需要在无氧环境下进行。同时，由于液态金属和基底材料之间的兼容性，直接打印在基底材料表面会出现粘附性低、粗糙度大等问题。而采用压力驱动的方式将导电液体(如液态金属)注入微流道中，使之填充微流道，通过预先设计加工成型的通道结构来约束液态金属的形状，液态金属在压力消失之后能够保持稳定的结构，但此方法需要采用光刻蚀或者快速成型技术制备模具，前期准备过程耗时且繁琐，成本较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微流控技术的柔性电子制作方法，其利用流体在层流状态下流动稳定的特性，并结合流体动力学及化学反应对柔性电子制作方法进行了设计。所述柔性电子制作方法将柔性聚合基底材料及导电液体通过同轴针头实现同步打印，利用所述柔性聚合基底材料对所述导电液体的裹夹，对待形成的电路的宽度进行控制，可以实现更高精度的打印需求，且同时实现了导电液体与柔性聚合基底材料的在线混合和实时固化，效率较高，制造省时，成本较低，制作简单。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于微流控技术的柔性电子制作方法，其包括以下步骤：
(1)提供一个同轴针头，所述同轴针头包括外管及收容于所述外管内的芯管，所述芯管的长度小于所述外管的长度；
(2)提供柔性聚合基底材料，并在所述柔性聚合基底材料中添加活性剂以形成柔性组合物；
(3)提供一个平板，并在所述平板的表面上涂一层预定厚度的所述柔性组合物；
(4)将导电液体及所述柔性组合物分别置于第一微型泵及第二微型泵内，并分别设定所述第一微型泵及所述第二微型泵的流量，同时将所述第一微型泵的出口及所述第二微型泵的出口分别连接于所述芯管及所述外管；
(5)先开启所述第一微型泵，待所述导电液体处于层流状态后再开启所述第二微型泵，同时，基于微流控技术分别控制所述第一微型泵及所述第二微型泵的压力及流量；
(6)待所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构后，通过3D打印技术将所述层流结构按照预先设定的几何形状打印在所述平板上，待打印成型后固化成型。
进一步的，所述芯管的中心轴与所述外管的中心轴重合；所述芯管与所述外管均为圆管，所述芯管的内径为200微米，所述外管的内径为800微米。
进一步的，所述活性剂占所述柔性组合物的重量百分比为0.33％。
进一步的，所述柔性组合物的平均流量为0.6微升每分钟，所述导电液体的平均流量为80微升每分钟。
进一步的，所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构后，所述柔性组合物包裹所述导电液体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其将柔性聚合基底材料及导电液体通过同轴针头实现同步打印，利用所述柔性聚合基底材料对所述导电液体的裹夹，对待形成的电路的宽度进行控制，可以实现更高精度的打印需求，且同时实现了导电液体与柔性聚合基底材料的在线混合和实时固化，效率较高，制造省时，成本较低，制作简单。
附图说明
图1是发明较佳实施方式提供的基于微流控技术的柔性电子制作方法的流程图。
图2是图1中的基于微流控技术的柔性电子制作方法涉及的制作状态示意图。
图3是采用图1中的基于微流控技术的柔性电子制作方法制作的柔性复合基底材料包裹导电液体的层流结构的示意图。
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。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。
请参阅图1至图3，本发明较佳实施方式提供的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其利用微观尺寸下流体在层流状态下流动稳定的特性，并结合相应的流体动力学和化学反应获取所需要的流场结构。所述柔性电子制作方法将柔性聚合基底材料及导电液体通过同轴针头实现同步打印，利用流体的裹夹，对待形成的电路的宽度进行控制，可以实现更高精度的打印需求，且同时实现了导电液体与柔性聚合基底材料的在线混合和实时固化，效率较高，制造省时，成本较低，制作简单。
本实施方式中，所述柔性电子制作方法包括以下步骤：
步骤一，提供一个同轴针头。具体地，所述同轴针头包括芯管及外管，所述芯管收容于所述外管内，且所述芯管的中心轴与所述外管的中心轴重合。本实施方式中，所述芯管的长度小于所述外管的长度；所述芯管及所述外管均为圆管，所述芯管的内径为200微米，所述外管的内径为800微米；可以理解，所述芯管的尺寸及所述外管的尺寸随实际应用情况的改变而改变，两者均跟柔性聚合基底材料及导电液体的特性相对应。
步骤二，提供柔性聚合基底材料，并在所述柔性聚合基底材料中添加活性剂以形成柔性组合物。具体地，所述活性剂占所述柔性组合物的质量百分比依据所述柔性组合物的组份及数量而选择。本实施方式中，所述活性剂占所述柔性组合物的重量百分比为0.33％。
步骤三，提供平板，并在所述平板的表面上涂一层预定厚度的所述柔性组合物。本实施方式中，所述平板的表面光顺。
步骤四，将所述柔性组合物和导电液体分别置于两个微型泵内，并分别设定两个所述微型泵的流量，同时将两个所述微型泵的出口分别连接于所述同轴针头。具体地，收容所述导电液体的微型泵的出口连接于所述芯管，收容所述柔性组合物的微型泵的出口连接于所述外管；两个所述微型泵分别用于将所述柔性组合物及导电液体以预定的流量及压力泵入所述外管内及所述芯管内。
步骤五，先开启收容有所述导电液体的微型泵，待所述同轴针头内的导电液体处于层流状态后再开启收容有所述柔性组合物的微型泵，同时，基于微流控技术分别控制两个所述微型泵的压力及流量，使所述柔性组合物包裹所述导电液体。
具体地，两个所述微型泵分别为第一微型泵及第二微型泵，所述第一微型泵收容所述导电液体，所述第二微型泵收容所述柔性组合物；所述第一微型泵先开启，并将所述导电液体灌注所述外管凸出于所述芯管的一段的管孔内，同时，控制所述第一微型泵的压力和流量；待所述同轴针头内的所述导电液体的流动稳定后，启动所述第二微型泵，所述第二微型泵将所述柔性组合物泵入所述同轴针头，进而泵入所述外管内，同时，控制所述第二微型泵的压力及流量，待所述导电液体与所述柔性组合物之间形成稳定的层流结构，所述柔性组合物包裹所述导电液体形成包裹结构。本实施方式中，所述柔性组合物的平均流量为0.6微升每分钟，所述导电液体的平均流量为80微升每分钟。
步骤六，待所述同轴针头内的所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构之后，通过3D打印技术将所述层流结构按照预先设定的几何形状打印在所述平板上，待打印成型后固化成型。本实施方式中，通过3D打印技术在所述平板上形成电路的宽度约为200微米，所述柔性组合物边界之间的距离约为600微米，如图3所示。
本发明提供的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其将柔性聚合基底材料及导电液体通过同轴针头实现同步打印，利用所述柔性聚合基底材料对所述导电液体的裹夹，对待形成的电路的宽度进行控制，可以实现更高精度的打印需求，且同时实现了导电液体与柔性聚合基底材料的在线混合和实时固化，效率较高，制造省时，成本较低，制作简单。
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 (5)

1.一种基于微流控技术的柔性电子制作方法，其包括以下步骤：
(1)提供一个同轴针头，所述同轴针头包括外管及收容于所述外管内的芯管，所述芯管的长度小于所述外管的长度；
(2)提供柔性聚合基底材料，并在所述柔性聚合基底材料中添加活性剂以形成柔性组合物；
(3)提供一个平板，并在所述平板的表面上涂一层预定厚度的所述柔性组合物；
(4)将导电液体及所述柔性组合物分别置于第一微型泵及第二微型泵内，并分别设定所述第一微型泵及所述第二微型泵的流量，同时将所述第一微型泵的出口及所述第二微型泵的出口分别连接于所述芯管及所述外管；
(5)先开启所述第一微型泵，待所述导电液体处于层流状态后再开启所述第二微型泵，同时，基于微流控技术分别控制所述第一微型泵及所述第二微型泵的压力及流量；
(6)待所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构后，通过3D打印技术将所述层流结构按照预先设定的几何形状打印在所述平板上，待打印成型后固化成型。
2.如权利要求1所述的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其特征在于：所述芯管的中心轴与所述外管的中心轴重合；所述芯管与所述外管均为圆管，所述芯管的内径为200微米，所述外管的内径为800微米。
3.如权利要求1所述的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其特征在于：所述活性剂占所述柔性组合物的重量百分比为0.33％。
4.如权利要求1所述的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其特征在于：所述柔性组合物的平均流量为0.6微升每分钟，所述导电液体的平均流量为80微升每分钟。
5.如权利要求1所述的基于微流控技术的柔性电子制作方法，其特征在于：所述柔性组合物与所述导电液体之间形成层流结构后，所述柔性组合物包裹所述导电液体。
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