CN111256885B - 激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器 - Google Patents

激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器，本发明用飞秒激光加工PDMS层表面，利用飞秒激光加工前后PDMS层表面对液态金属的黏附性的改变来选择性转印液态金属，再用PDMS膜封装后得到液态金属微通道组成的激光诱导液态金属转印电路，工艺简便灵活。制备得到的柔性压力传感器结构简单，具有极高的分辨力，可以用来检测同类压力传感器难以检测到的微小压力变化。

Description

激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器
技术领域
本发明涉及柔性电路和柔性传感器领域，尤其涉及一种激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器。
背景技术
由于同时具有金属的导电性和液体的流动性，镓基液态金属被越来越广泛地应用在柔性电子领域。相比于传统刚性电子器件，液态金属构建的柔性电子器件能承受极大的弯曲、拉伸等变形而不会失效。压力传感器是日常生活和工业生产中常见的电子器件，而基于液态金属的压力传感器也吸引了很多研究者的关注，并已经成功应用到柔性机器人、可穿戴设备、触觉传感器等方面。液态金属压力传感器的设计往往是将液态金属微通道封装在弹性体中作为导电电路，利用在压力作用下液态金属微通道横截面积的变化将待测压力转换为可测量的电路电阻值的变化。但是，现有的液态金属压力传感器往往存在分辨力不高的缺陷，难以实现微小压力的精密测量，并且加工步骤繁琐。已经有研究者提出了用激光选择性处理基底表面来实现液态金属的电路图案转印，相比传统的光刻等手段，极大地简化了电路的制作过程，但是受限于所使用激光的峰值功率，需要预先在基底中混入着色物质以提高光能的吸收，因此后续需要将图案再次转印到洁净的基底上，增加了制作步骤，还有待进一步简化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种激光诱导液态金属转印电路、制备方法及柔性压力传感器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
作为本发明的一个方面，提供一种激光诱导液态金属转印电路的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对PDMS层进行飞秒激光扫描，在PDMS层表面形成激光诱导的微纳米结构区域和未被激光加工的电路图案化区域；
步骤2：对飞秒激光扫描后的PDMS层进行液态金属选择性转印，将液态金属附着在电路图案化区域形成液态金属微通道；
步骤3：在液态金属微通道的两端分别连接导线形成引出电极；
步骤4：对具有液态金属微通道的PDMS层旋涂液态PDMS，固化形成PDMS膜，完成制备。
作为本发明的另一个方面，还提供一种由如上述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法制备得到的激光诱导液态金属转印电路，包括：
PDMS层；
PDMS膜，设置于所述PDMS层上；
液态金属微通道，作为电路通道设置于所述PDMS层和PDMS膜之间；
两根引出电极，分别与液态金属微通道的两个端部相连，其中，每根引出电极的另一端向外延伸，用于连接外部电路。
作为本发明的再一个方面，还提供一种柔性压力传感器，包括：
如上述的激光诱导液态金属转印电路；
电阻计，所述电阻计通过导线与所述激光诱导液态金属转印电路的引出电极相连。
作为本发明的再一个方面，还提供一种如上述的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
将所述激光诱导液态金属转印电路的引出电极通过导线与电阻计相连，完成制备。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
本发明制备的柔性压力传感器仅由两层PDMS和封装在夹层中的液态金属微通道组成，结构简单轻巧，不需要引入其他柔性压力传感器所必须的复杂结构，简化了制备工艺，使用方便灵活；
采用PDMS封装液态金属微通道的设计，结合了PDMS膜良好的弹性变形性能和液态金属的高导电性，液态金属微通道上方的PDMS膜在压力作用下发生变形，引起液态金属微通道横截面积显著减小，整个液态金属微通道电阻值增大，从而快速精确地反映出压力的大小，具有极高的灵敏度，PDMS组成的主体结构既赋予了柔性压力传感器极高的柔性，能承受极大的变形，也能保证液态金属微通道良好的密封性，在后续使用过程中不会发生泄漏；
液态金属微通道极小的厚度赋予了柔性压力传感器极高的分辨力，能精确检测出其他柔性传感器难以检测到的微小压力变化，在同类产品中具有巨大的性能优势；
本发明采用的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，首先用飞秒激光加工PDMS层表面，再利用飞秒激光加工前后PDMS层表面对液态金属的黏附作用改变来选择性转印液态金属，用PDMS膜封装后得到液态金属微通道组成的电路；相比传统液态金属通道制备方法运用的光刻技术步骤繁杂、耗时长的缺点，激光诱导液态金属转印电路制备方法制备方便，步骤简单，整个飞秒激光加工和选择性转印过程仅需十分钟左右；同时，飞秒激光加工分辨率极高，能精确加工出复杂细小的电路图案，加工也更加灵活，可以实现任意图案的加工；
本发明采用的飞秒激光相比纳秒激光，脉冲持续时间在百飞秒数量级，峰值功率极高，能直接在基底材料表面进行加工而不需要对材料进行混入吸光物质的预处理，这样激光处理后的基底一次转印液态金属就能使用，省去了第二次转印；因此相比类似的激光诱导液态金属转印电路制备方法，进一步简化了步骤。
本发明的选择性转印步骤能实现超薄的液态金属微通道，减少了整个柔性压力传感器所需消耗的液态金属量，节约原料。
附图说明
图1为本发明实施例提供的激光诱导液态金属转印电路制备方法的工艺流程框架图；
图2为本发明实施例飞秒激光加工前后PDMS层表面的电镜图；
图3为本发明实施例液态金属液滴在PDMS层表面的滚动角随飞秒激光加工扫描间距的变化关系图；
图4为本发明实施例不同厚度液态金属微通道的柔性压力传感器的电阻变化量随压强的变化关系图；
图5为本发明实施例1制备的柔性压力传感器实物图。
具体实施方式
本发明的原理是：
本发明提供的激光诱导液态金属转印电路主要利用飞秒激光对PDMS(聚二甲基硅氧烷)层表面的改性来调整PDMS层表面对液态金属的黏附作用。暴露在空气中的液态金属表面会产生一层氧化层，液态金属氧化层对PDMS等非金属有很好的亲附性，所以液态金属能紧紧黏附在PDMS层表面。飞秒激光能在PDMS层表面诱导产生粗糙不平的微纳米结构。当液态金属和经过激光加工的PDMS层表面接触时，液态金属氧化层和PDMS层表面间存在很多空气隙，减小了有效接触面积，从而显著降低PDMS层对液态金属的黏附性。因此，用飞秒激光在PDMS层表面进行图案化加工后，液态金属能黏附在未加工区域，而不会黏附在加工区域，从而实现液态金属在PDMS层表面的选择性转印，完成各种激光诱导液态金属转印电路的制备。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一个方面，如图1所示，提供一种激光诱导液态金属转印电路的制备方法，使用飞秒激光在PDMS层表面诱导形成微纳米结构，进而改变PDMS层表面对液态金属的黏附性，并结合液态金属选择性转印，实现激光诱导液态金属转印电路的加工，包括如下步骤：
(1)在PDMS层上粘贴一层水溶性胶带，以避免后续飞秒激光加工过程中飞溅碎屑对未被飞秒激光加工区域的影响；
(2)采用飞秒激光器按预先设计的电路图案，在扫描振镜引导下，对步骤(1)处理后的PDMS层表面进行飞秒激光扫描加工。在飞秒激光加工区域，飞秒激光首先去除PDMS层表面的水溶性胶带，随后在水溶性胶带下的PDMS层表面诱导生成微纳米结构，形成激光诱导的微纳米结构区域和未被激光加工的电路图案化区域；
(3)将步骤(2)处理后的PDMS层在去离子水中超声清洗，去除电路图案化区域的水溶性胶带，露出水溶性胶带下的PDMS层表面，即露出电路图案化区域；
(4)将步骤(3)清洗后的PDMS层飞秒激光加工面朝下按压在一层液态金属表面，微纳米结构区域的PDMS层表面不能附着液态金属，电路图案化区域的PDMS层表面能附着液态金属；将PDMS层从液态金属表面揭下，在PDMS层表面得到液态金属选择性转印而成的电路图案，形成液态金属微通道；
(5)将铜导线连接在步骤(4)选择性转印后的PDMS层表面液态金属微通道两端，向外延伸作为引出电极，用于连接外部电路；
(6)将配制好的液态PDMS旋涂在步骤(5)处理后的PDMS层表面，抽真空；
(7)将步骤(6)处理后的样品放入烘箱中使液态PDMS固化，液态金属被封装在两层PDMS之间形成液态金属微通道，完成制备。
在本发明的其他实施例中，也可以不进行步骤(1)和步骤(3)的贴附水溶性胶带和清洗的过程，并不局限于此；但是在PDMS层上粘贴一层水溶性胶带，可以避免后续飞秒激光加工过程中飞溅碎屑对未被飞秒激光加工区域的影响，得到更完整的液态金属微通道。
在本发明的实施例中，步骤(2)中，采用飞秒激光器在扫描振镜引导下进行飞秒激光扫描，中心波长为700～1000nm；脉宽为小于120fs；重复频率为0.1～1000KHz；扫描速度为10～100mm/s，激光功率为100～500mW；激光扫描间距50～350μm；
在本发明的优选实施例中，步骤(2)中，采用飞秒激光器在扫描振镜引导下进行飞秒激光扫描，中心波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1KHz；扫描速度25mm/s，激光功率为300mW，激光扫描间距50～350μm。
如图2所示，飞秒激光处理后，PDMS层原来光滑的表面会出现微纳米结构增大PDMS层微纳米结构区域表面粗糙度；进而减少了液态金属氧化层与PDMS层微纳米结构区域的有效接触面积，使液态金属难以黏附在PDMS层微纳米结构区域表面。通过设置飞秒激光加工的扫描间距可以精确调控PDMS层微纳米结构区域表面的粗糙度，扫描间距越小，表面粗糙度越大。
众所周知，滚动角可以用来表征一个表面对液滴的黏附性，滚动角越小说明黏附性越低。将不同扫描间距飞秒激光加工得到的PDMS层放在接触角测量仪平台上，测量液态金属液滴在PDMS层表面的滚动角。扫描间隔越小，相邻两道扫描路径之间的没有被飞秒激光处理的PDMS层表面区域就越少，表面粗糙度越大，液态金属液滴的滚动角越小。如图3所示，当扫描间距为50μm时，液态金属液滴滚动角只有2.5°，当扫描间距增大到500μm时，滚动角为90°，液态金属液滴被牢牢黏附在PDMS层表面，不会滚动。
因此，在本发明的实施例中，适宜的激光扫描间距50～350μm。
在本发明的实施例中，步骤(4)中，液态金属包括镓铟锡合金，即Galinstan，各个组分的质量百分比为：镓68.5％、铟21.5％、锡10％；但是并不局限于此，在本发明的其他实施例中，液态金属还可选取镓铟合金，即EGaIn，各个组分的质量百分比为：镓75％和铟25％。
在本发明的实施例中，液态金属选择性转印前需要进行氧化处理，将液态金属均匀铺展成薄层并暴露在空气中充分氧化。
在本发明的实施例中，步骤(5)中，引出电极的材质为并不局限于铜，还可以为铁或者银等导线；另外，在下述的柔性压力传感器中采用的导线，也可任选其中之一。
在本发明的实施例中，步骤(6)中，液态PDMS是由PDMS预聚物和PDMS固化剂按质量比10：1配制而成。
在本发明的实施例中，步骤(6)中，抽真空时长为30～60min。
在本发明的实施例中，步骤(7)中，将步骤(6)处理后的样品放入烘箱中使液态PDMS固化的具体操作条件为：在90～100℃的条件下固化45～60min。
作为本发明的另一个方面，还提供一种由如上述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法制备得到的激光诱导液态金属转印电路，包括：
PDMS层；
PDMS膜，设置于PDMS层上；
液态金属微通道，作为电路通道设置于PDMS层和PDMS膜之间；
两根引出电极，分别与液态金属微通道的两个端部相连，其中，每根引出电极的另一端向外延伸，用于连接外部电路。
在本发明的实施例中，液态金属微通道厚度为20～100μm。
作为本发明的再一个方面，还提供一种柔性压力传感器，包括：
如上述的激光诱导液态金属转印电路；
电阻计，电阻计通过导线与激光诱导液态金属转印电路的引出电极相连。
本发明将飞秒激光直写与选择性转印相结合得到激光诱导液态金属转印电路，进而将其应用到柔性压力传感器中，达到柔性压力传感器灵活快速且极高分辨率的效果。
作为本发明的再一个方面，还提供一种如上述的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
将激光诱导液态金属转印电路的引出电极通过导线与电阻计相连，完成制备。
在本发明的实施例中，柔性压力传感器包括激光诱导液态金属转印电路、导线和精密电阻计。激光诱导液态金属转印电路的引出电极通过导线连接到精密电阻计。在激光诱导液态金属转印电路上表面中心放置一块单位面积的PMMA板(聚甲基丙烯酸甲酯板)，压力施加在PMMA板上表面，再由PMMA板传递到PDMS膜表面，能使PDMS膜表面压力作用区域压力分布均匀。压力作用下，液态金属通道上方的PDMS膜产生弹性形变，使液态金属微通道横截面面积减小，液态金属微通道电阻增大，从精密电阻计上读出电阻值的改变量。
本发明的柔性压力传感器利用压力作用下液态金属微通道横截面面积减小导致的电阻增大来测量施加压力的大小。利用疲劳试验机在柔性压力传感器上表面的PMMA板上施加不同压力，从精密电阻计读出柔性压力传感器电阻的变化量。通过人为控制选择性转印次数，可以得到不同厚度液态金属微通道组成的柔性压力传感器。实验测试了25、30、55μm三种不同厚度液态金属微通道的柔性压力传感器电阻随压强的变化，结果如图4所示，电阻变化量随压强增大而增大，且液态金属微通道厚度越小，对压力响应越灵敏，对微小压力分辨力越强。厚度为55μm液态金属微通道的柔性压力传感器最小能检测到1.8194KPa的压强，而厚度25μm液态金属微通道的柔性压力传感器最小能检测到0.0456KPa的压强，拥有极高的分辨力。
实施例1
液态PDMS的组分PDMS预聚物和PDMS固化剂购置于美国道康宁公司，型号为Sylgard 184Kit。
采用如图1所示激光诱导液态金属转印电路的制备方法制备得到的激光诱导液态金属转印电路中，如图5所示，PDMS层厚度为500μm，封装的PDMS膜厚度为500μm。电路图案为螺旋形，螺旋线总长180mm，整个螺旋图案区域长度为24mm，宽度为18mm。液态金属微通道横截面宽1.5mm，厚25μm。
柔性压力传感器的PMMA板长度为10mm，宽度为10mm，厚度为1mm。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对PDMS层进行飞秒激光扫描，在PDMS层表面形成激光诱导的微纳米结构区域和未被激光加工的电路图案化区域；
步骤2：对飞秒激光扫描后的PDMS层进行液态金属选择性转印，将液态金属附着在电路图案化区域形成液态金属微通道，其中，采用飞秒激光器进行飞秒激光扫描，所述飞秒激光扫描间距50～350μm，其中，对飞秒激光扫描后的PDMS层进行液态金属选择性转印包括：
将飞秒激光扫描后的PDMS层的加工面朝下按压在一层液态金属表面，液态金属附着在电路图案区域形成液态金属微通道；
其中，液态金属在进行液态金属选择性转印前，需进行氧化处理，具体包括将液态金属均匀铺展成薄层，暴露在空气中进行氧化；
步骤3：在液态金属微通道的两端分别连接导线形成引出电极；
步骤4：对具有液态金属微通道的PDMS层旋涂液态PDMS，固化形成PDMS膜，完成制备。
2.如权利要求1所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，在进行步骤1之前，所述激光诱导液态金属转印电路的制备方法还包括对所述PDMS层粘贴水溶性胶带的步骤；
在进行步骤1之后步骤2之前，所述激光诱导液态金属转印电路的制备方法还包括去除残余的水溶性胶带的步骤，具体包括：在去离子水中进行超声清洗，将电路图案化区域的残余水溶性胶带去除。
3.如权利要求1或2所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，飞秒激光扫描操作具体包括：采用飞秒激光器在扫描振镜引导下对PDMS层进行飞秒激光扫描；
其中，中心波长为700～1000nm；脉宽为小于120fs；重复频率为0.1～1000KHz；扫描速度为10～100mm/s，激光功率为100～500mW。
4.如权利要求1或2所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，所述液态金属为镓铟锡合金，各个组分的质量百分比为：镓68.5％、铟21.5％和锡10％；或者所述液态金属为镓铟合金，各个组分的质量百分比为：镓75％和铟25％。
5.如权利要求1所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，引出电极的材质为铜、铁或者银。
6.如权利要求1所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法，其特征在于，所述步骤4的具体操作包括：对具有液态金属微通道的PDMS层旋涂液态PDMS，抽真空30～60min；在90～100℃的条件下固化45～60min，形成PDMS膜，完成制备；
其中，液态PDMS包括质量比为10：1的PDMS预聚物和PDMS固化剂。
7.一种由如权利要求1至6任一项所述的激光诱导液态金属转印电路的制备方法制备得到的激光诱导液态金属转印电路，其特征在于，包括：
PDMS层；
PDMS膜，设置于所述PDMS层上；
液态金属微通道，作为电路通道设置于所述PDMS层和PDMS膜之间；
两根引出电极，分别与液态金属微通道的两个端部相连，其中，每根引出电极的另一端向外延伸，用于连接外部电路。
8.如权利要求7所述的激光诱导液态金属转印电路，其特征在于，所述液态金属微通道厚度为20～100μm。
9.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：
如权利要求7或8所述的激光诱导液态金属转印电路；
电阻计，所述电阻计通过导线与所述激光诱导液态金属转印电路的引出电极相连。
10.一种如权利要求9所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将所述激光诱导液态金属转印电路的引出电极通过导线与电阻计相连，完成制备。
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CN110868794A (zh) * 2019-11-26 2020-03-06 重庆文理学院 一种激光雕刻打印超精密液态金属微电子的制备方法

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