CN109395790B - 一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法，将微/纳制造、纸浆模塑和纳米导电油墨相结合，加工三维纸基网络结构中填充导电纳米颗粒，构建电路。通过多组分导电纳米颗粒填充，可获得复合材料电路。该加工工艺具有加工简单、材料环保和成本低廉等优点，是微流控技术在柔性电路的新应用。
Description
技术领域
本发明涉及纸基微流控芯片领域，特别是一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法。
背景技术
纸基微流控芯片是一种新型流体操纵与分析系统，借助毛细作用可实现流体的自驱动，能够在极小空间内简便地操控微/纳升级的液体，促进了便携式分析技术的发展。纸张因为具有易获取、成本低和比表面积大等特点，并且具有不借助外置设备即可输送如血液、缓冲液等流体样本和生化试剂的优势而受到广泛关注。现有纸基微流控芯片加工方法有紫外光刻、激光切割、融蜡喷印、喷墨打印、喷墨溶剂刻蚀等，加工对象多为成品滤纸，纸张的厚度、截面形状等参数难以调整。当芯片设计方案复杂时，将难以满足要求。
纸浆模塑是一种三维立体造纸技术，通过纸浆在模具内部吸附、固化而获得与模具结构匹配的纸张结构。因此，采用纸浆模塑工艺将可以获得三维复杂结构的纸基芯片。模具加工的精度和尺寸将决定纸张成型的精度和尺寸，当模具特征尺寸在微/纳米尺度时，与之匹配的成型纸基结构也将具有同样特征尺寸。另一方面，柔性基体导电材料印刷技术近年来得到快速发展，但是该技术单次印刷通常仅能获得单一导电材料（如金粉、银系导电墨、碳系导电墨等），如果要得到多组分复合电路（导线各段成分不同），需要多次更换喷头等操作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法，可以极大提高现有纸基微流控芯片的工艺水平。
本发明采用以下方案实现：一种纸基复合三维微/纳电路，包括自下至上依次设置的绝缘压力膜、纸基结构、以及热塑膜；
所述纸基结构包括纸基导线与纸基电极，所述纸基导线与纸基电极粘附在所述绝缘压力膜的上表面；
所述热塑膜覆盖在所述纸基结构除了纸基电极以外部分的顶部；
所述纸基结构内部附着有导电纳米颗粒。
进一步地，所述纸基结构的不同区域可以为不同组分的导电纳米颗粒。
本发明还提供了上文所述结构的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：制作微/纳结构的开式腔体模具；
步骤S2：将调制好的纸浆由精密微注射泵（泵送流速可选数微升/分钟或更低）注入模具，使得纸浆逐层均匀吸附在模具的内表面，形成与模具形状对应的匹配湿胚纸基结构；
步骤S3：将内部含有湿胚的模具转移至烘干箱，在75 ℃烘干环境中蒸发掉湿胚中过多的水分，控制纸胚最终含水率在5-10%；
步骤S4：借助显微镜观测模具内部纸基粘附情况，对不满足要求的部分采用重复注塑纸浆的方法使其达到最终要求；
步骤S5：将导电油墨按所需位置填充到纸基各部分，待油墨干燥后，导电纳米颗粒富集附着在纸纤维中，最终形成电路；
步骤S6：在机械力作用下，将模具中固化成型的纸基网络转印至绝缘压力膜，采用热塑封方法将除电极之外的部分塑封，获得最终纸基导电电路。塑封后，电路可在普通环境中长期保持。
进一步地，所述步骤S1具体为：采用紫外光光刻技术（一般加工极限线宽1 µm）加工微米特征尺度模具；采用电子束曝光技术（加工极限线宽8 nm）加工纳米特征尺度模具。
进一步地，所述模具的材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、或光刻胶。
特别的，步骤S2中，因为PMMA或光刻胶为疏水结构，在注塑前用氧气等离子体作表面处理，用以提高纸浆在模具内的流速。
较佳的，步骤S6还包括：通过改变各部分填充的导电油墨组分，能够获得复合材料电路。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明将微/纳加工、纸浆模塑和导电油墨技术相结合，借助纸中的纤维结构为导电油墨（内含纳米颗粒）提供承载，构建电路，可以获得含有高精度复合导电材料的三维纸基电路，这既可以极大提高现有纸基微流控芯片的工艺水平，也可完善纸基材料在微/纳电容器、电极和集成电路的应用。同时，在同一纸基网络内的不同区域填充不同组分的导电油墨，可获得复合材料电路。
附图说明
图1为本发明实施例的加工方法流程示意图。
图2为本发明实施例的纸基复合三维微/纳电路设计示意图。
图3为本发明实施例的关键工艺环节示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1至图3所示，本实施例提供了一种纸基复合三维微/纳电路，包括自下至上依次设置的绝缘压力膜、纸基结构、以及热塑膜；
所述纸基结构包括纸基导线与纸基电极，所述纸基导线与纸基电极粘附在所述绝缘压力膜的上表面；
所述热塑膜覆盖在所述纸基结构除了纸基电极以外部分的顶部；
所述纸基结构内部附着有导电纳米颗粒。
在本实施例中，所述纸基结构的不同区域可以为不同组分的导电纳米颗粒。
本实施例还提供了上文所述结构的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：制作微/纳结构的开式腔体模具；
步骤S2：将调制好的纸浆由精密微注射泵（泵送流速可选数微升/分钟或更低）注入模具，使得纸浆逐层均匀吸附在模具的内表面，形成与模具形状对应的匹配湿胚纸基结构；
步骤S3：将内部含有湿胚的模具转移至烘干箱，在75 ℃烘干环境中蒸发掉湿胚中过多的水分，控制纸胚最终含水率在5-10%；
步骤S4：借助显微镜观测模具内部纸基粘附情况，对不满足要求的部分采用重复注塑纸浆的方法使其达到最终要求；
步骤S5：将导电油墨按所需位置填充到纸基各部分，待油墨干燥后，导电纳米颗粒富集附着在纸纤维中，最终形成电路；
步骤S6：在机械力作用下，将模具中固化成型的纸基网络转印至绝缘压力膜，采用热塑封方法将除电极之外的部分塑封，获得最终纸基导电电路。塑封后，电路可在普通环境中长期保持。
在本实施例中，所述步骤S1具体为：采用紫外光光刻技术（一般加工极限线宽1 µm）加工微米特征尺度模具；采用电子束曝光技术（加工极限线宽8 nm）加工纳米特征尺度模具。
在本实施例中，所述模具的材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、或光刻胶。
特别的，在本实施例中，步骤S2中，因为PMMA或光刻胶为疏水结构，在注塑前用氧气等离子体作表面处理，用以提高纸浆在模具内的流速。
较佳的，在本实施例中，步骤S6还包括：通过改变各部分填充的导电油墨组分，能够获得复合材料电路。
本实施例首次将微/纳制造、纸浆模塑和纳米导电油墨相结合，加工三维纸基网络结构中填充导电纳米颗粒，构建电路。通过多组分导电纳米颗粒填充，可获得复合材料电路。该加工工艺具有加工简单、材料环保和成本低廉等优点，是微流控技术在柔性电路的新应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种纸基复合三维微/纳电路的加工方法，其特征在于：纸基复合三维微/纳电路包括自下至上依次设置的绝缘压力膜、纸基结构、以及热塑膜；
所述纸基结构包括纸基导线与纸基电极，所述纸基导线与纸基电极粘附在所述绝缘压力膜的上表面；
所述热塑膜覆盖在所述纸基结构除了纸基电极以外部分的顶部；
所述纸基结构内部附着有导电纳米颗粒；
所述纸基结构的不同区域为不同组分的导电纳米颗粒；
包括以下步骤：
步骤S1：制作微/纳结构的开式腔体模具；
步骤S2：将调制好的纸浆由精密微注射泵注入模具，使得纸浆逐层均匀吸附在模具的内表面，形成与模具形状对应的匹配湿胚纸基结构；
步骤S3：将内部含有湿胚的模具转移至烘干箱，在75 ℃烘干环境中蒸发掉湿胚中过多的水分，控制纸胚最终含水率在5-10%；
步骤S4：观测模具内部纸基粘附情况，对不满足要求的部分采用重复注塑纸浆的方法使其达到最终要求；
步骤S5：将导电油墨按所需位置填充到纸基各部分，待油墨干燥后，导电纳米颗粒富集附着在纸纤维中，最终形成电路；
步骤S6：将模具中固化成型的纸基网络转印至绝缘压力膜，采用热塑封方法将除电极之外的部分塑封，获得最终纸基导电电路。
2.根据权利要求1所述的一种纸基复合三维微/纳电路的加工方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：采用紫外光光刻技术加工微米特征尺度模具；采用电子束曝光技术加工纳米特征尺度模具。
3.根据权利要求1所述的一种纸基复合三维微/纳电路的加工方法，其特征在于：所述模具的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、或光刻胶。
4.根据权利要求1所述的一种纸基复合三维微/纳电路的加工方法，其特征在于：步骤S2中，在注塑前用氧气等离子体作表面处理，用以提高纸浆在模具内的流速。
5.根据权利要求1所述的一种纸基复合三维微/纳电路的加工方法，其特征在于：步骤S6还包括：通过改变各部分填充的导电油墨组分，能够获得复合材料电路。
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