CN110868794B

CN110868794B - 一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法

Info

Publication number: CN110868794B
Application number: CN201911175740.8A
Authority: CN
Inventors: 梁书婷; 陈兴彦; 李洁
Original assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Current assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN110868794A

Abstract

本发明公开了一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，包括以下步骤：依据设计电路图，通过基于3D打印的激光雕刻方法在有机硅基体上雕刻凹槽，制作出所需电路；在电路凹槽内填充液态金属；所述液态金属是在室温条件下具有流动性的液态金属或合金材料；采用PVA薄涂覆在填充有液态金属的有机硅基体上。本发明将激光雕刻技术、3D打印和液态金属相结合，大大简化了制作流程，能够在短时间内方便快捷的制造液态金属微电子电路且价格成本远低于传统的液态金属电子电路的制造方法，在柔性电子电路设备的制造中具有广阔的应用前景。

Description

一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子产品技术领域，具体涉及一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法。

背景技术

电子产品具有成本低，重量轻的突出优点。通过柔性电路，可以将传感系统，触摸屏，执行器，存储器，晶体管等多种功能模块组合在一起，可以应用于电子安全，柔性显示和生物诊断等领域。规模可控且折叠稳定性高的电路是柔性电路在变形下的集成和稳定性的关键。柔性电路通常基于金属纳米颗粒，纳米线和石墨烯。随着柔性电子技术的飞速发展，液态金属的独特物理性能已逐渐引起各行各业的关注，并开始应用于柔性电子设备的研究。由于液态金属具有高导电性，良好的流动性和低毒性，因此有望实现高度折叠的稳定柔性电路并实现电路回收。柔性电子产品中使用的液态金属只是熔点较低的液态金属合金，通常在室温下呈液态。

现有技术存在的缺点是：传统的液态金属电子电路的制造的模板法为了印刷液体金属电路，实现液体金属的连续可靠印刷，准备了纳米模板，印刷的图案通过激光、化学蚀刻或电机蚀刻的方法，将其切成金属圆柱体作为成形槽，这种方法首先设计图案做一个光掩模板，再在硅片上涂上一层光刻胶，激光透过光掩膜版照在光刻胶上就可以形成图案，周期长，成本高且制造的模板有使用次数的限制。此外，目前很少有关于通过激光雕刻制造超微液态金属电子器件的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的液态金属电子电路制造方法复杂，成本较高，本发明提供了解决上述问题的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法。柔性电子产品

本发明通过下述技术方案实现：

一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，包括以下步骤：

S1、依据设计电路图，通过基于3D打印的激光雕刻方法在有机硅基体上或纸质基体上雕刻凹槽，制作出所需电路；

S2、在电路凹槽内填充液态金属；所述液态金属是在室温条件下具有流动性的液态金属或合金材料；

S3、采用PVA薄涂覆在填充有液态金属的有机硅基体上。

进一步地，所述液态金属采用镓铟或镓铟锡合金。

进一步地，所述液态金属采用镓铟锡合金，将Ga、In和Sn金属按照质量配置比7:2:1混合均匀制备获得镓铟锡合金液态金属。

进一步地，所述有机硅基体采用聚二甲基硅氧烷基板。

进一步地，所述聚二甲基硅氧烷基板的制备方法包括以下步骤：将主剂聚二甲基硅氧烷与固化剂按照质量配比10:1混合均匀后，倒入模具中均匀旋涂；然后经抽真空处理后，在紫外光或者阳光照射下制得透明可拉伸的聚二甲基硅氧烷基板；所述固化剂采用小分子硅烷，小分子硅烷包含有硅羟基或硅烷氧基。

进一步地，在激光雕刻制作电路之前，所述有机硅基体上覆盖设置超薄粘性聚乙烯薄膜。

进一步地，所述PVA薄膜的制备方法包括以下步骤：将甘油、PVA和水按照质量比1:6:60混合均匀后，经室温固化制备得PVA薄膜。

进一步地，所述S1包括以下步骤：

S11，依据各类绘图软件设计电路图，并转换为激光雕刻机可以识别的GCODE文件；

S12，激光雕刻机根据设计电路图在有机硅基体上雕刻电路；

可以通过修改生成GCODE文件的激光雕刻速度、激光移动速度以及激光功率，根据制造电路的需求控制雕刻沟槽的深度以及宽度，同时可以对图片进行拉伸，控制雕刻图案的面积。

上述图片拉伸的范围由最小1mm×1mm到最大130mm×130mm。

进一步地，激光雕刻光束和光斑直径≤0.5mm；本发明在有机硅基体上雕刻获得所需电路液态金属电路的最小宽度为250μm，最小高度为200μm，且在有机硅基体雕刻获得所需电路液态金属电路，通过覆膜可直接获得完整的液态金属电路封装。本发明在纸质基体上打印液态金属电子电路，所获得电路的最小高度可为26μm，在纸质基体上获得液态金属电路，需要去除纸质基体，单独将液态金属电路用于传感器等电子器件中。

上述激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法制备的电路用途，用于柔性电子器件，包括传感器；进一步优选用于电子皮肤。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供了一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，该方法将激光雕刻技术、3D打印和液态金属相结合，大大简化了制作流程，能够在短时间内方便快捷的制造液态金属微电子电路且价格成本远低于传统的液态金属电子电路的制造方法；此外，利用镓铟等液态金属特有的流动性强、密度大的特点，能够制作出导电性能极好、空间占有率及低、伸缩率极高的液态金属电路。

2、本发明用于制备超微细、个性化的液态金属电子线路图形，可以在短时间内定制各种高分辨率液态金属电路图案，能够满足微电子产品的柔性、轻薄、可穿戴需求，在液态金属柔性电子电路设备的制造中具有广阔的应用前景。制作的电路可用于各类传感器，如可粘附在人体皮肤、应用于各类医疗传感器件皮肤电子，测量人体的心率、血糖的高低等；也可用于电子皮肤，所形成的电子皮肤可与功能器件完美结合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法流程图；

图2为本发明的制备的超精密液态金属微电子电路；

图3为本发明的制备的超精密液态金属微电子电路应用于传感器连接示意图；

图4为本发明的其应用于心率传感器件的实例；

图5为图4所示应用获得的心率图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，具体步骤如下所示：

一、材料制备

1、液态金属原材料的制备(镓铟锡合金的制备)：

镓铟锡合金的熔点低，将Ga、In和Sn按照混合配置比7:2:1混合后，置于磁力搅拌器中在55℃～65℃温度条件下持续搅拌25min～35min，制得纯功能液态金属镓铟锡合金(EGa-In-Sn)，该合金在室温下也可以保持液态。

2、聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体的制备：

主剂PDMS与固化剂，固化剂可为各种带硅羟基、硅烷氧基等的小分子硅烷以质量比10:1比例混合均匀后，倒入模具中均匀旋涂，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，在紫外光或者阳光照射下12h即可制得透明可拉伸的PDMS基底。为了确保PDMS基底的清洁度并促进液态金属电路的印刷，在PDMS的表面上覆盖了超薄粘性聚乙烯(PE)薄膜，获得PE-PDMS基板。

PE膜与PDMS基底贴合性较好，在打印过程中不会脱落，能有效防止外界灰尘污染PDMS基底。更重要的是，利用激光打印电路的过程中可以有效的击穿PE膜和部分PDMS基底，这样在填充液态金属的过程中：被击穿的PE膜可以透过液态金属油墨，从而制备完整的液态金属电路；未被击穿的PE膜(不需要打印的部分)则可以有效防止PDMS基底和液态金属接触，从而避免液态金属的粘附后弄脏PDMS基底。在液态金属填充完成后，PE薄膜还可以轻易的撕去，以遍在PDMS上获得完整的液态金属电路。

3、PVA薄膜的制备：

将质量比为1:6:60的甘油\PVA和去离子水混合并在70℃～80℃温度条件下搅拌1h；将少量该PVA溶液倒入扁平容器中并在室温下固化5h形成PVA箔。

制备的PVA薄膜光学透明且机械耐用，PVA薄膜也可在水溶液中快速可控溶解。将制备的PVA膜涂覆在LM(液态金属)和PDMS基板上，通过喷洒少量水雾将PVA膜软化，一旦干燥，PVA箔就紧密地粘附到LM-PDMS基底上，以获得完整的液态金属电路封装。

二、电路的雕刻

提供一种通过激光雕刻直接将图案打印在PE-PDMS基底上的方法，具体步骤如下所示：

1、通过现有的各类绘图软件设计形状、大小、线条粗细各式各样的电路形状，且修改其中的参数非常的方便；之后将设计好的电路图案保存为JPG格式。

2、将设计绘制好的电路图案导入由激光雕刻机配置的计算机软件MoozStudio，该软件可以生成激光雕刻机可以识别的GCODE文件，激光雕刻机根据设定的图案雕刻设定电路。激光雕刻机(DOBOT MOOZ，工作范围X130*Y130mm，激光功率0.5W)是从重庆扩展电子有限公司购买的。默认激光雕刻速度为300mm/min，默认激光移动速度为500mm/min，激光功率为0％～100％。

3、根据制造电路的需求，通过修改激光雕刻速度、激光移动速度以及激光功率来控制雕刻沟槽的深度以及宽度。此外，还可以对图片进行拉伸，控制雕刻图案的面积，图片拉伸的范围由最小1mm×1mm到最大130mm×130mm。图片在拉伸过程中必须出现可识别的线条，否则激光雕刻机将无法识别，雕刻得到的图形将不完整。

激光雕刻机自动雕刻，根据图案的大小，雕刻时间将持续1h～2h不等。

三、液态金属电路的填充及电路的封装：

1、液态金属电路的填充过程：在PE-PDMS基板上印刷电路之后，使用非常细的尖端吸取少量液态金属，并沿电路均匀地施加以填充雕刻线；最后，轻轻剥离附着在PDMS上的PE膜，以获得连续、完整的液态金属超细电路。

2、电路的封装：将制备的PVA薄膜涂覆在填充有液态金属的PDMS基板上；通过喷洒少量水雾将PVA薄膜软化，然后在室温下缓慢干燥。将获得的干燥的PVA薄膜牢固地粘合到图案化的填充有液态金属的PDMS基板上。

所制备完成的液态金属微电子电路，在质量上应该保证其液态金属电子电路得到完整的封装及凝固，不会有液态金属发生泄漏，或有漏电的情况发生。

实施例2

实施例1制备的液态金属微电子电路在心率传感器中的应用。

如附图3和附图4所示，脉冲心率测量光电反射式模拟传感器(pulse sensor)通过实施例1制备的液态金属微电子电路与Arduino开发板(UNO R3)相连。脉冲传感器用S信号输出线标记，Arduino模拟输入A0连接，+连接到5V，-连接到GND。Arduino通过方形端口数据线连接到计算机上的USB接口。脉冲图像的显示过程经由Arduino编程显示在进程中，获得如附图5所示的心率图。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、依据设计电路图，通过基于3D打印的激光雕刻方法在有机硅基板上雕刻凹槽，制作出所需电路；

S2、在电路凹槽内填充液态金属；所述液态金属是在室温条件下具有流动性的液态金属；

S3、采用PVA薄涂覆在填充有液态金属的有机硅基板上；

所述有机硅基板采用聚二甲基硅氧烷基板，其具体制备如下：将主剂聚二甲基硅氧烷与固化剂按照质量配比10:1混合均匀后，倒入模具中均匀旋涂；然后经抽真空处理后，在紫外光或者阳光照射下制得透明可拉伸的聚二甲基硅氧烷基板；所述固化剂采用小分子硅烷，小分子硅烷包含有硅羟基或硅烷氧基；在激光雕刻制作电路之前，所述有机硅基板上覆盖设置超薄粘性聚乙烯薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，所述液态金属采用镓铟或镓铟锡合金。

3.根据权利要求2所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，所述液态金属采用镓铟锡合金，将Ga、In和Sn金属按照质量配置比7:2:1混合均匀制备获得镓铟锡合金液态金属。

4.根据权利要求1所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，所述PVA薄膜的制备方法包括以下步骤：将甘油、PVA和水按照质量比1:6:60混合均匀后，经室温固化制备得PVA薄膜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：

S12，激光雕刻机根据设计电路图在有机硅基板上雕刻电路；

可以通过修改生成GCODE文件的激光雕刻速度、激光移动速度以及激光功率，根据制造电路的需求控制雕刻沟槽的深度以及宽度，同时可以对图片进行拉伸，控制雕刻图案的面积，上述图片拉伸的范围由最小1mm×1mm到最大130mm×130mm。

6.根据权利要求5所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法，其特征在于，激光雕刻光束和光斑直径≤0.5mm；雕刻获得所需电路液态金属电路的最小宽度为250μm，最小高度为200μm。

7.权利要求1至6之一所述的一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法制备的电路用途，其特征在于，用于柔性电子器件，包括传感器。