CN108513437B - 一种可组合电路结构 - Google Patents

Abstract

针对现有电子技术柔性与可拉伸性不足的缺点，本发明提供一种可组合电路结构，包括：基本单元、电源系统、负载，其中基本单元包括控制电极、效应电极、液容器、液态金属、电介质。通过微加工和微流控方法，利用液态金属电控变形特性，实现了柔性可拉伸的电子逻辑元件结构，通过多个基本的可组合电路结构的组合，可实现任意逻辑控制结构。该电路结构可用于柔性数字电路、逻辑控制电路的快速制造，具有较高的应用价值和发展前景。

Description

一种可组合电路结构

技术领域

本发明属于柔性电子技术领域，特别涉及一种可组合电路结构。

背景技术

柔性电子技术一般指将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可拉伸性高分子基材上的电子制造技术，近年来，柔性电子技术领域进展神速，越来越多的电路结构和制作方法被开发出来，但受限于制作材料，电路结构的柔性和拉伸变形特性仍然十分有限。

液态金属是一大类低熔点的金属单质或金属合金，或者是金属与导电纳米或微米颗粒的混合物，其中部分种类的液态金属合金具有电解质溶液中的电控变形效应，基于液态金属的这类独特性质，我们可以制作出柔性的电控开关，类二极管、类三极管结构，乃至更为复杂的门电路、组合逻辑电路、加法器乃至计算器、计算机，结合微加工及微流控技术，基于液态金属电控变形效应制作电子器件是具有可行性的。基于上述考虑，本发明提出一种可组合电路结构及制作方法，通过微加工技术制作液态金属槽道、流道或囊泡结构，通过微流控技术及液态金属电控变形效应控制电路通断性能，该电路结构及制作方法可使整个柔性电子结构拥有更好的柔性、可拉伸和可组合性性能。

发明内容

针对一般柔性电子电路结构及制作方法中柔性和拉伸变形特性有限的缺点，本发明提出了一种可组合电路结构，该电路结构及制作方法可使整个柔性电路结构拥有更好的柔性和可拉伸性能，且更容易进行组合或级联。

本发明提供了一种可组合电路结构，包括：至少一个基本单元，用于实现电路的逻辑控制功能，所述基本单元包括：控制电极、效应电极、液容器、液态金属、电介质；其中，液容器为柔性可拉伸结构，其内部空腔容纳有液态金属和电介质，液容器设置有控制电极和效应电极；所述控制电极，用于为所述液态金属施加电压以控制液态金属在液容器中变形和定向运动；所述效应电极，用于在所述液态金属的变形和定向移动的条件下导通或关断。

进一步的，所述可组合电路结构，还包括：电源系统，用于为所述基本单元和负载提供工作电压；负载，在所述基本单元的控制下工作。

进一步的，在初始状态时所述控制电极一端接触液态金属，另一端接触电介质。

进一步的，在初始状态时所述效应电极的两端均不与液态金属接触，效应电极的位置设置满足液态金属在加压变形后能够连通效应电极两端。

进一步的，所述电源系统是直流电源，或者由工控机或单片机所控制的具有一个或多个输出的直流电源系统。

进一步的，多个可组合电路结构的基本单元通过并联或串联方式组合形成组合的逻辑控制电路结构。

进一步的，所述液容器采用微槽道结构、微流道结构或囊泡结构，其制作材料为具有高弹性和可拉伸性的高分子材料；其中，在进行所述可组合电路结构的组合应用时，将相应电极之间通过导线连接以实现电路连接，或者通过液容器的插接或拼接方式实现多个可组合电路的连接，或者将组合连接后的多个可组合电路结构设置在同一个柔性可拉伸基底上。

进一步的，所述液态金属为熔点在所述电介质的沸点以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金、或者由所述低熔点金属单质/低熔点金属合金与具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物。

进一步的，所述电介质为液态的水或甘油，为液态金属提供变形所需的电场和运动环境。

本发明的有益技术效果：本发明提供的一种可组合电路结构，设置柔性可拉伸变形的液容器作为电路结构的载体，利用液态金属优秀的导电性和独特的电控变形特性，实现电路结构的逻辑控制，且多个基本的可组合电路结构可以组合形成组合的逻辑电路控制结构，实现任意逻辑控制结构。本发明的电路器件结构简单、制备容易、使用稳定，可以有效解决现有柔性电子技术柔性与可拉伸性不足的缺陷。

附图说明

图1为本发明可组合电路结构实施例1的结构示意图；

图2为本发明可组合电路结构实施例2的结构示意图；

其中，1、控制电极；2、效应电极；3、液容器；4、液态金属；5、电介质；6、电源系统；7、负载；8、基本单元。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示、本发明所提供的可组合电路结构包括基本单元8、电源系统6、负载7，基本单元8包括控制电极1、效应电极2、液容器3、液态金属4、电介质5。

本实施例中电源系统6采用两个单独的直流电源，电源1和电源2，控制电极和效应电极均选用铜材质。

控制电极1为连接在电源2上的一对电极，初始状态时控制电极1的一端接触液态金属4，另一端接触电介质5；控制电极1用于控制液态金属4在液容器中变形和定向运动。当控制电极上施加正向电压时(如，电极接触液态金属的一端的电压高于接触电介质一端的电压)，由于液态金属的电控变形性质，液态金属液滴将会铺展并朝向初始状态时不接触液态金属的一端运动；当控制电极上施加反向电压时(如，电极接触液态金属的一端的电压低于接触电介质一端的电压)，液态金属将会以接触液态金属的电极为中心收缩为球滴。

效应电极2为连接电源1和负载7的电极，初始状态时效应电极2应远离控制电极1接触液态金属的一端，效应电极2两端之间的连线在控制电极1两端之间；效应电极的具体位置不限于图示位置，只要使得在控制电极1上施加正向电压时，铺展的液态金属能将效应电极两端连通，而在控制电极1上施加反向电压时，收缩的液态金属能脱离效应电极即可；效应电极用于实际执行负载电路的开关功能。

液容器3作为电路结构的载体，具有良好的拉伸和形变能力，用于限制液态金属4的变形运动范围，并作为电介质的容器；本实施例中通过3D打印PLA(聚乳酸)塑料制成模具，再在模具中灌入高弹性材料PDMS(聚二甲基硅氧烷)，固化后脱模得到液容器。

本实施例选用的液态金属4的成分是镓铟合金，其中镓占质量分数的75.5％，铟占质量分数的24.5％，或者是铋铟共晶合金，熔点为72℃。实际应用中，液态金属的熔点在所述电介质的沸点以下，其成分可以是任意低熔点金属单质或低熔点金属合金，或者是所述金属单质或金属合金分别与具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物，这类液态金属具有优秀的导电性和液相流动性，独特的电控变形特性。

在一些其它的实施例中，液态金属还可以选用熔点在300摄氏度以下的低熔点金属单质或合金，合金成分包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、银、铜、钠、钾、镁、铝、铁、镍、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅等中的一种或多种。

优选地，液态金属选择范围包括：汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。这类低熔点金属具有优秀的导电性和液相流动性，因此在新型电子结构制造领域有着独特的应用价值。

电介质5是纯水、甘油等液态电介质，为液态金属提供变形所需的电场和运动环境，电介质具体选择应与电源电压匹配，以形成适合液态金属运动、变形的电场。所述电介质的沸点应高于液态金属的熔点，水的沸点为100℃，故以水作为电介质的可组合电路结构在100℃以上无法使用，甘油的沸点为290℃，闪点(闭口)为177℃，适用于100℃至177℃环境下的电路快速控制。

负载7选用LED灯，也可以是任意形式的电子器件或系统。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

具体地，本发明的可组合电路结构的工作原理为：首先按照预先设计，使用脱模法制作出液容器3，在液容器3中按要求排布控制电极1和效应电极2，液容器3的内部空腔中填充适当量的电介质5和液态金属4，构成一组基本单元8，该结构具备良好的柔性和可拉伸性能；将制备好的基本单元8连接上电源系统6及负载7，电源系统6在控制电极1上施加正向电压时，液态金属4铺展变形，连通效应电极2，负载7开始工作，电源系统6在控制电极1上施加反向电压时，液态金属4收缩成球，效应电极2断开，负载7停止工作，使用时，液容器3可任意变形拉伸而不影响系统的正常工作，因而整个系统具备良好的柔性，可在拉伸、弯曲、挤压等情形下良好运行。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图2所示，本实施例中多个可组合电路结构的基本单元进行组合形成柔性可拉伸的逻辑控制电路；电源系统6采用工控机输出电压，不同端口的输出电压，分别连接到各个基本单元的控制电极上，以便为各个基本单元提供所需的电压；单个基本单元的制备方式及工作原理与实施例1一致。

制备好可组合电路结构的基本单元后，将其中的两组效应电极并联，再与另一组效应电极串联，最后连接负载及负载电压，三组控制电极分别连接工控机的三个控制电压输出端，构成一种组合逻辑控制电路结构，当控制电压1为正向，且控制电压2或3其中一个为正向时，该组合逻辑控制电路结构控制负载开始工作。本实施例给出了3个可组合电路结构组合形成逻辑控制电路的方式，实际中，可以根据需要进行任意数量的可组合电路结构进行组合，通过合理设计基本单元连接方式，来实现任意逻辑控制结构，组合后的电路系统具备良好柔性，可在拉伸、弯曲、挤压等情形下正常工作。

上述实施例中，液容器还可以为微槽道或微流道结构，采用微加工方法制作模具，再在模具中灌入高弹性材料PDMS，固化后脱模得到液容器；液容器还可以为囊泡结构，采用磷脂材料，利用电形成法制作囊泡结构，作为液容器。在进行可组合电路的组合应用时，可以将相应电极之间通过导线连接以实现电路连接，也可以通过液容器的插接或拼接方式实现多个可组合电路的连接，或者可以将组合连接后的多个可组合电路结构设置在同一个柔性可拉伸基底上。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种可组合电路结构，其特征在于，包括：

至少一个基本单元，用于实现电路的逻辑控制功能，所述基本单元包括：控制电极、效应电极、液容器、液态金属、电介质；其中，

液容器为柔性可拉伸结构，其内部空腔容纳有液态金属和电介质，液容器设置有控制电极和效应电极；

所述控制电极，用于为所述液态金属施加电压以控制液态金属在液容器中变形和定向运动；

所述效应电极，用于在所述液态金属的变形和定向移动的条件下导通或关断。

2.根据权利要求1所述的可组合电路结构，其特征在于，还包括：

电源系统，用于为所述基本单元和负载提供工作电压；

负载，在所述基本单元的控制下工作。

3.根据权利要求1所述的可组合电路结构，其特征在于，在初始状态时所述控制电极一端接触液态金属，另一端接触电介质。

4.根据权利要求1所述的可组合电路结构，其特征在于，在初始状态时所述效应电极的两端均不与液态金属接触，效应电极的位置设置满足液态金属在加压变形后能够连通效应电极两端。

5.根据权利要求2所述的可组合电路结构，其特征在于，所述电源系统是直流电源，或者由工控机或单片机所控制的具有一个或多个输出的直流电源系统。

6.根据权利要求1-5任一项所述的可组合电路结构，其特征在于，多个可组合电路结构的基本单元通过并联或串联方式组合形成组合的逻辑控制电路结构。

7.根据权利要求1-5任一项所述的可组合电路结构，其特征在于，所述液容器采用微槽道结构、微流道结构或囊泡结构，其制作材料为具有高弹性和可拉伸性的高分子材料；其中，在进行所述可组合电路结构的组合应用时，将相应电极之间通过导线连接以实现电路连接，或者通过液容器的插接或拼接方式实现多个可组合电路的连接，或者将组合连接后的多个可组合电路结构设置在同一个柔性可拉伸基底上。

8.根据权利要求1-5任一项所述的可组合电路结构，其特征在于，所述液态金属为熔点在所述电介质的沸点以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金、或者由所述低熔点金属单质/低熔点金属合金与具有导电作用的纳米或微米颗粒的混合物。

9.根据权利要求1-5任一项所述的可组合电路结构，其特征在于，所述电介质为液态的水或甘油，为液态金属提供变形所需的电场和运动环境。