CN110753441B - 电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备，所述电路转换单元包括：形状记忆聚合物层；液态金属，所述液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层；其中，所述形状记忆聚合物层能够改变自身形状，以改变所述液态金属于所述形状记忆聚合物层的分布，所述液态金属于所述形状记忆聚合物的不同分布构成不同的导电路径。上述电路转换单元使用形状可随外部条件变化的形状记忆聚合物，使形状记忆聚合物腔体内的液态金属形成的电路随所述形状记忆聚合物形状的变化而变化，以改变电路的连接方式，从而实现器件的模式转换，结构简单，成本较低，通用性强。

Description

电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备

技术领域

本发明涉及柔性电路制造技术领域，特别是涉及一种电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备。

背景技术

目前以液态金属作为原材料的制备的柔性电路或器件，主要方式是通过在有机聚合物中制备沟槽后，注入液态金属后进行密封，形成液态金属柔性电路。液态金属在柔性电路中只起到柔性导线的作用，模式的转换和信号的调控主要通过芯片或单片机程序实现，这样通过芯片或单片机程序改变电子器件模式的转换和信号调控的方式成本较高，且结构较复杂。

发明内容

基于此，有必要针对目前的柔性电路或器件模式的转换和信号的调控主要通过芯片或单片机程序实现，这样通过芯片或单片机程序改变电子器件模式的转换和信号调控的方式成本较高，且结构较复杂的问题，提供一种电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备。

一种电路转换单元，包括：

形状记忆聚合物层；

液态金属，所述液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层；

其中，所述形状记忆聚合物层改变自身形状，以改变所述液态金属于所述形状记忆聚合物层的分布，所述液态金属于所述形状记忆聚合物的不同分布构成不同的导电路径。

在其中一个实施例中，

所述形状记忆聚合物为两层，所述液态金属封闭于两层所述形状记忆聚合物层之间；或者

所述形状记忆聚合物为一层，所述形状记忆聚合物层设有凹槽，所述液态金属封闭于所述凹槽内。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物包括热致变形聚合物、电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种或多种。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物为热致变形聚合物，且所述形状记忆聚合物层的外表面设有金属纳米线，所述金属纳米线用于对所述形状记忆聚合物表面的预定区域进行辅助加热。

在其中一个实施例中，所述金属纳米线通过3D打印的方式或刻蚀转印的方式铺设于所述形状记忆聚合物层的外表面。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

在其中一个实施例中，所述改性层通过物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、喷涂或旋涂的方式设置在所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面。

在其中一个实施例中，所述改性层为金属无机物层或高分子有机物层。

在其中一个实施例中，所述电路转换单元还包括储液区，所述形状记忆聚合物层变形时，所述储液区能够容纳所述形状记忆聚合物层变形挤出的所述液态金属。

一种电子器件，包括输出端、接收端以及上述电路转换单元，所述接收端和输出端伸入所述形状记忆聚合物层，并能够和所述液态金属电导通，所述形状记忆聚合物层的形状改变能够控制所述输出端和接收端之间的通断。

一种温控设备，包括多个加热器以及与所述加热器对应的电子器件，所述电子器件为上述电子器件，所述电子器件控制对应的加热器的电源的通断。

在其中一个实施例中，多个所述电子器件的形状记忆聚合物层的形变温度不同。

一种电路转换单元制造方法，包括：

提供形状记忆聚合物形成形状记忆聚合物层；

将液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层中，使所述液态金属随所述形状记忆聚合物层形状的改变构成不同的导电路径。

在其中一个实施例中，还包括：

当所述形状记忆聚合物层为两层时，将所述液态金属封闭于两层所述形状记忆聚合物层之间；或者

当所述形状记忆聚合物层为一层时，在所述形状记忆聚合物层上开设凹槽，将所述液态金属封闭于所述凹槽内。

在其中一个实施例中，还包括：

在所述形状记忆聚合物层外表面以3D打印或刻蚀转印的方式铺设金属纳米线，用于对所述形状记忆聚合物表面的预定区域进行辅助加热。

在其中一个实施例中，还包括：

在所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

在其中一个实施例中，还包括：

在所述形状记忆聚合物层中设置储液区，用于容纳所述形状记忆聚合物层变形时挤出的所述液态金属。

上述可电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备使用形状可随外部条件变化的形状记忆聚合物，使形状记忆聚合物层中的液态金属形成的导电路径随所述形状记忆聚合物层形状的变化而变化，以改变导电路径的连接方式，从而实现器件的模式转换，结构简单，成本较低，通用性强。

附图说明

图1为本发明的实施例的电路转换单元的剖视图；

图2为本发明的实施例的电子器件工作过程的示意图；

图3为本发明的实施例的电子器件工作过程的示意图；

图4为本发明的实施例的温控设备的示意图；

图5为本发明的实施例的电路转换单元制造方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参阅图1，图1为本发明的实施例的电路转换单元的剖视图。

在本实施例中，所述电路转换单元包括金属纳米线130、形状记忆聚合物层110、改性层140和液态金属120。所述形状记忆聚合物层110包括上下两层形状记忆聚合物，在本实施例中，所述形状记忆聚合物通过化学合成方法制备而成。在其它实施例中，所述形状记忆聚合物层110可以为一层形状记忆聚合物，此时所述形状记忆聚合物层110设有凹槽，所述液态金属120封闭于所述凹槽内。

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers，简称SMP)，是指具有初始形状的制品在外力条件下改变其初始形状并固定后，通过外界条件(如热、电、光、化学刺激等)下又可以恢复其初始状态的高分子材料。目前，形状记忆聚合物作为一种新型的智能材料在很多领域如MEMS，医疗，生物工程等得到了广泛的应用。与形状记忆合金相比、形状记忆聚合物作为一种新型的高分子功能性材料，具有质量轻、形变范围大，易于工业加工，价格经济等特点。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110的两层形状记忆聚合物之间填充有液态金属120，所述液态金属120形成导电路径。具体地，所述形状记忆聚合物为热致变形聚合物，可以根据受热的变化改变形状。所述液态金属120形成的导电路径随所述形状记忆聚合物层110形状的改变而改变，因此当所述形状记忆聚合物层110的形状改变时，所述液态金属120形成的导电路径也发生改变，功能也会发生变化。在其它实施例中，所述形状记忆聚合物可以为电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种或两种，即两层形状记忆聚合物可以选用相同的材料或不同的材料，可根据电、光、化学刺激等外部条件的变化改变形状。在本实施例中，所述液态金属120通过注入的方式封闭于所述形状记忆聚合物层110中。在其它实施例中，所述液态金属120可以通过其它方式封闭于所述形状记忆聚合物层110中，只需将所述液态金属120封闭于所述形状记忆聚合物层110中即可。

在其它实施例中，所述液态金属120还可以形成具有一定功能的器件，如雷达或信号发射器等圆盘状金属器件。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110与所述液态金属120接触的一面为内表面，所述形状记忆聚合物层110远离所述液态金属120的一面为外表面。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110外表面设有金属纳米线130，所述金属纳米线130用于对所述形状记忆聚合物层110表面的预定区域进行辅助加热，帮助所述形状记忆聚合物层110进行变形。在其它实施例中，当所述形状记忆聚合物为电致变形聚合物、光致变形聚合物或者化学刺激变形聚合物时，可以在所述形状记忆聚合物层110外表面铺设其它元件，以帮助所述形状记忆聚合物层110进行变形。在本实施例中，所述金属纳米线130通过3D打印的方式铺设于所述形状记忆聚合物层110外表面，采用3D打印的方式铺设所述金属纳米线130速度更快，但精度较差。在其它实施例中，所述金属纳米线130可以通过刻蚀转印等方式铺设于所述形状记忆聚合物层110外表面，采用刻蚀转印的方式铺设所述金属纳米线130的工艺较复杂，但同时精度较高。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110内表面设置控制液态金属接触角的改性层140，用于增大所述形状记忆聚合物层110与所述液态金属120之间的接触角，提高所述液态金属120在形状记忆聚合物层110之间的流动性。在本实施例中，所述改性层140通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的方法设置在所述形状记忆聚合物层110内表面。在其它实施例中，所述改性层1 4 0可以通过化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)、原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)、喷涂或旋涂等方式设置在所述形状记忆聚合物层110内表面。在本实施例中，所述改性层140为金属无机物层，例如具有微孔的氧化铝或氧化锌薄膜。在其它实施例中，所述改性层140可以为高分子有机物层，例如微米级的聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)颗粒层，只需达到使所述改性层140具有控制接触面以控制液态金属接触角，形成可控制液态金属接触角的表面的效果即可。

在本实施例中，所述电路转换单元还包括储液区，所述储液区设置于所述形状记忆聚合物层110中，所述形状记忆聚合物层110变形时，所述储液区能够容纳所述形状记忆聚合物层110变形挤出的所述液态金属120。

请一并参阅图2及图3，图2及图3为本发明的实施例的电子器件工作过程的示意图。

在图2所示的实施例的电子器件中，包括输出端、接收端以及上述电路转换单元，所述接收端和输出端通过固体导线150伸入所述形状记忆聚合物层110，并能够和所述液态金属120电导通，所述形状记忆聚合物层110的形状改变能够控制所述输出端和接收端之间的通断。所述金属纳米线130加热时，所述形状记忆聚合物层110随加热状态的变化发生变形和挤压，液态金属120分布在所述形状记忆聚合物110中，此时，信号输出端与信号接收端A通过所述液态金属120导通，信号接收端B被阻断，无信号输入。

图3所示的实施例的电子器件为图2所示的实施例的电子器件进行改变加热方式后的状态，改变所述金属纳米线130的加热方式，加热所述形状记忆聚合物层110的其它位置，则所述形状记忆聚合物层110随加热位置的变化发生变形和挤压，液态金属120分布在所述形状记忆聚合物110中，随着所述形状记忆聚合物110的变形和挤压改变连接连接方式，此时，信号输出端与信号接收端B通过所述液态金属120导通，信号接收端A被阻断。

在图2及图3所示的实施例中，所述电子器件仅包括2个信号接收端和1个信号输出端。在其它实施例中，信号输出端和信号接收端可以为多个，液态金属120构成的导电路径也不局限于小型电路，通过上下形状记忆聚合物层110连接点和精细的外部条件控制，可以完成大规模的电路的信号发射的转换。信号转换模式也不局限于上述简单的形式，通过上下形状记忆聚合物层110的联合变化，可以完成复杂的串联，并联，与非门等复杂的电路形式。

请参阅图4，图4为本发明的实施例的温控设备的示意图。

在本实施例中，所述温控设备包括4个加热器和4个上述电子器件，4个加热器通过固体导线150和对应的所述电子器件与电源相连，每个加热器处设置有一个电子器件，所述加热器通过所述电子器件中的液态金属120与电源相连，所述电子器件控制对应的加热器的电源的通断。加热器从下至上依次为第一加热器、第二加热器、第三加热器和第四加热器，对应的电子器件为第一电子器件、第二电子器件、第三电子器件和第四电子器件，所述第一电子器件、第二电子器件、第三电子器件和第四电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度依次呈梯度上升。当温度低于第一电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度时，四个电子器件的形状记忆聚合物层110均不发生形变，四个加热器通过液态金属120与电源联通，对环境进行加热。当环境温度达到第一电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度时，所述第一电子器件的形状记忆聚合物层110变形，对液态金属120进行挤压，第一电子器件中的液态金属120向储液区流动，第一电子器件中的液态金属120全部进入储液区后，实现对所述第一加热器的阻断。随着温度的继续升高，依次达到第二电子器件和第三电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度后，第二电子器件和第三电子器件的形状记忆聚合物层110相继发生形变，将液态金属120挤入储液区，阻断第二加热器和第三加热器的加热。当环境温度超过第四电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度时，第四电子器件的形状记忆聚合物层110也发生形变，所有液态金属120都进入储液区，完成对所有加热器的阻断。当环境温度下降时，由于液态金属120的重力作用和液态金属120本身的良好流动性，并且第四电子器件的形状记忆聚合物层110随温度的降低逐渐恢复形状，使液态金属120重新进入第四电子器件的形状记忆聚合物层110中，再次联通电源与第四加热器，第四加热器再次开始对环境进行加热，以达到使周围环境温度始终保持在第四电子器件的形状记忆聚合物层110的形变温度上下的效果。

请参阅图5，图5为本发明的实施例的电路转换单元制造方法的示意图。

所述电路转换单元制造方法包括：

步骤510，提供形状记忆聚合物形成形状记忆聚合物层。

具体地，所述形状记忆聚合物层可以为一层或两层，所述形状记忆聚合物包括热致变形聚合物、电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种或多种。

步骤520，将液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层中，使所述液态金属随所述形状记忆聚合物层形状的改变构成不同的导电路径。

具体地，当所述形状记忆聚合物层为两层时，将所述液态金属封闭于两层所述形状记忆聚合物层之间；当所述形状记忆聚合物层为一层时，在所述形状记忆聚合物层上开设凹槽，将所述液态金属封闭于所述凹槽内。

步骤530，在所述形状记忆聚合物层外表面以3D打印或刻蚀转印的方式铺设金属纳米线，用于对所述形状记忆聚合物表面的预定区域进行辅助加热。

步骤540，在所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

步骤550，在所述形状记忆聚合物层中设置储液区，用于容纳所述形状记忆聚合物层变形时挤出的所述液态金属。

上述电路转换单元及其制造方法、电子器件及温控设备使用形状可随外部条件变化的形状记忆聚合物也即形状记忆聚合物，使形状记忆聚合物层中的液态金属形成的导电路径随所述形状记忆聚合物层形状的变化而变化，以改变导电路径的连接方式，从而实现器件的模式转换，结构简单，成本较低，通用性强。另外，液态金属和形状记忆聚合物具有很高的耐弯折性、可拉伸性，可与柔性可穿戴设备良好的结合。再次，形状记忆聚合物和液态金属相比传统器件质量轻且便携。最后，在形状记忆聚合物没变形的情况下，液态金属无明显约束，无法表达特定功能，而在特定的条件刺激下可以实现液态金属的图形化，完成特定功能的输出，具有一定的保密性和隐蔽性，如制备隐蔽的雷达或发射器等，具有一定的军事应用前景。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (17)

1.一种电路转换单元，其特征在于，包括：

形状记忆聚合物层；

液态金属，所述液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层；

其中，所述形状记忆聚合物层改变自身形状，以改变所述液态金属于所述形状记忆聚合物层的分布，所述液态金属于所述形状记忆聚合物的不同分布构成不同的导电路径。

2.根据权利要求1所述的电路转换单元，其特征在于，所述形状记忆聚合物为两层，所述液态金属封闭于两层所述形状记忆聚合物层之间；或者

所述形状记忆聚合物为一层，所述形状记忆聚合物层设有凹槽，所述液态金属封闭于所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的电路转换单元，其特征在于，所述形状记忆聚合物包括热致变形聚合物、电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的电路转换单元，其特征在于，所述形状记忆聚合物为热致变形聚合物，且所述形状记忆聚合物层的外表面设有金属纳米线，所述金属纳米线用于对所述形状记忆聚合物表面的预定区域进行辅助加热。

5.根据权利要求4所述的电路转换单元，其特征在于，所述金属纳米线通过3D打印的方式或刻蚀转印的方式铺设于所述形状记忆聚合物层的外表面。

6.根据权利要求1所述的电路转换单元，其特征在于，所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

7.根据权利要求6所述的电路转换单元，其特征在于，所述改性层通过物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、喷涂或旋涂的方式设置在所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面。

8.根据权利要求6所述的电路转换单元，其特征在于，所述改性层为金属无机物层或高分子有机物层。

9.根据权利要求1所述的电路转换单元，其特征在于，所述电路转换单元还包括储液区，所述形状记忆聚合物层变形时，所述储液区能够容纳所述形状记忆聚合物层变形挤出的所述液态金属。

10.一种电子器件，包括输出端、接收端以及如权利要求1-9任一项所述电路转换单元，所述接收端和输出端伸入所述形状记忆聚合物层，并能够和所述液态金属电导通，所述形状记忆聚合物层的形状改变能够控制所述输出端和接收端之间的通断。

11.一种温控设备，包括多个加热器以及与所述加热器对应的电子器件，所述电子器件为权利要求10所述的电子器件，所述电子器件控制对应的加热器的电源的通断。

12.根据权利要求11所述的温控设备，其特征在于，多个所述电子器件的形状记忆聚合物层的形变温度不同。

13.一种电路转换单元制造方法，其特征在于，包括：

提供形状记忆聚合物形成形状记忆聚合物层；

将液态金属封闭于所述形状记忆聚合物层中，使所述液态金属随所述形状记忆聚合物层形状的改变构成不同的导电路径。

14.根据权利要求13所述的电路转换单元制造方法，其特征在于，还包括：

当所述形状记忆聚合物层为两层时，将所述液态金属封闭于两层所述形状记忆聚合物层之间；或者

当所述形状记忆聚合物层为一层时，在所述形状记忆聚合物层上开设凹槽，将所述液态金属封闭于所述凹槽内。

15.根据权利要求13所述的电路转换单元制造方法，其特征在于，还包括：

在所述形状记忆聚合物层外表面以3D打印或刻蚀转印的方式铺设金属纳米线，用于对所述形状记忆聚合物表面的预定区域进行辅助加热。

16.根据权利要求13所述的电路转换单元制造方法，其特征在于，还包括：

在所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

17.根据权利要求13所述的电路转换单元制造方法，其特征在于，还包括：

在所述形状记忆聚合物层中设置储液区，用于容纳所述形状记忆聚合物层变形时挤出的所述液态金属。

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