CN111547675A - 一种柔性电子器件、微结构柔性电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性电子器件、微结构柔性电极及其制备方法，包括柔性衬底，所述柔性衬底的上表面设置有若干分割条，每个所述分割条呈倒V形状，每个所述分割条的两侧分别设置有电极单元；每个所述分割条的顶部至所述柔性衬底上表面的距离大于所述电极单元的厚度；记每个所述分割条及其两侧的所述电极单元用于与柔性电子器件接触的区域为被覆盖区域，则每个所述分割条的两端均超出其对应的所述被覆盖区域。本发明可以使用成本较低、技术成熟且粘结性好的各向同性导电胶进行粘接，能够避免相邻电极之间的短路问题。

Description

一种柔性电子器件、微结构柔性电极及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性电子器件用的微结构柔性电极结构设计和微组装技术领域，具体涉及一种柔性电子器件、微结构柔性电极及其制备方法。

背景技术

柔性电子器件在可穿戴、电子皮肤、人机接口和人工智能等领域有着巨大的应用潜力，因此也吸引了国内外大批专家学者的研究。对于具有多对I/O口的器件(如三维力柔性传感器)，目前使用的微结构柔性电极结构一般为在平坦的聚合物衬底上制作图形化的小节距多电极，其电极线宽和节距可达几微米或几十微米，因这类微结构柔性电极为小节距多电极，它们在与其余电子器件结构进行粘接时十分困难，无法使用成本低、技术成熟且粘接性好的各向同性导电胶粘接，因为当各向同性导电胶固化后，存在导电胶层中z方向和xy方向均电导通的问题，极易造成相邻电极出现短路故障。

目前的主要解决方案有热压直接粘接和各向异性导电胶粘接。但是热压直接粘接往往因金属电极与柔性聚合物的粘附性差而粘接不牢固；而各向异性导电胶粘接虽然可以使得固化后的导电胶层中z方向电导通、xy方向绝缘，避免了相邻电极之间的短路，但各向异性导电胶存在成本高、制备复杂等问题。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种柔性电子器件、微结构柔性电极及其制备方法，可以使用成本较低、技术成熟且粘结性好的各向同性导电胶进行粘接，能够避免相邻电极之间的短路问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种微结构柔性电极，包括柔性衬底，所述柔性衬底的上表面设置有若干分割条，每个所述分割条呈倒V形状，每个所述分割条的两侧分别设置有电极单元；

每个所述分割条的顶部至所述柔性衬底上表面的距离大于所述电极单元的厚度；

记每个所述分割条及其两侧的所述电极单元用于与柔性电子器件接触的区域为被覆盖区域，则每个所述分割条的两端均超出其对应的所述被覆盖区域。

进一步地，记所述被覆盖区域的宽度方向与所述分割条的长度方向一致，则每个所述分割条的长度大于所述被覆盖区域的宽度的两倍。

进一步地，每个所述分割条的横截面为等腰三角形。

进一步地，每个所述分割条与所述柔性衬底为一体结构，每个所述分割条与所述柔性衬底均为柔性聚合物。

进一步地，所述电极单元为金属。

一种柔性电子器件，应用了本发明所述的微结构柔性电极。

本发明所述的一种微结构柔性电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制作衬底上表面具有所述分割条的所述柔性衬底；

步骤2：在所述分割条的两侧制作所述电极单元，得到微结构柔性电极。

进一步地，所述步骤1具体如下：

步骤1.1：将液态柔性聚合物浇注到开设有V形槽的单晶硅模板上，加热固化；

步骤1.2：剥离固化后的柔性聚合物，得到具有所述分割条的所述柔性衬底。

进一步地，所述步骤2具体如下：

步骤2.1：在所述柔性衬底的上表面喷涂一层正性光刻胶，曝光后显影出所述电极单元的形状；

步骤2.2：用氮等离子体对所述柔性衬底的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.3：在所述柔性衬底上表面的所述分割条两侧通过低温工艺沉积金属微粒，形成所述电极单元。

进一步地，所述步骤2具体如下：

步骤2.1：用氮等离子体对所述柔性衬底的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.2：在所述柔性衬底的上表面通过其他低温工艺沉积金属微粒层；

步骤2.3：在所述分割条的两侧金属微粒层上喷涂一层负性光刻胶，曝光后显影出所述电极单元的形状的互补部分；

步骤2.4：通过湿法腐蚀将所述电极单元的形状的互补部分刻蚀掉，剩余金属微粒层形成所述电极单元。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种微结构柔性电极，在柔性衬底的上表面设置有若干分割条，每个分割条呈倒V形状，每个分割条的两侧分别设置有电极单元，且每个分割条的顶部至柔性衬底上表面的距离大于电极单元的厚度，确保微结构柔性电极与电子器件粘结时，分割条的顶部先与电子器件接触；记每个分割条及其两侧的电极单元用于与柔性电子器件接触的区域为被覆盖区域，则每个分割条的两端均超出其对应的被覆盖区域，确保分隔条能够分割覆盖区域内的全部导电胶。也就是说，本发明微结构柔性电极使用的衬底微结构相对于传统的微结构柔性电极使用的平坦式衬底结构，本发明在一对电极单元之间的间隙位置设置有凸起的倒V形分割条，使得本发明的微结构柔性电极与电子器件结构之间可以采用成本较低、技术成熟的各向同性导电胶粘接，保证相邻的两电极单元之间不发生短路故障。具体的说，在用各向同性导电胶(如导电银胶)将微结构柔性电极与电子器件其结构(如压阻材料、柔性传感器等)进行粘接时，可以通过超声振动和在电子器件的上方施加正压力等方式，使得倒V形分割条顶端的导电胶滑落、减薄。当柔性倒V形分割条在被压变形的同时，分割条顶端的胶层也被挤压到两侧，使得中间导电胶残留极少，接触电阻增大甚至达到绝缘的效果，从而达到分割连续导电胶、阻断相邻电极单元电连接的目的，能够避免相邻电极之间的短路问题。本发明通过倒V形分割条微结构有利于解决导电胶大面积涂敷引起的相邻电极单元短路问题，为小节距多电极单元的粘接提供了一种新的解决思路，有利于降低柔性电子器件的微组装操作难度，促进柔性电子器件的微型化发展。

进一步地，本发明每个分割条的长度大于被覆盖区域的宽度的两倍，这样的设计能够更好地保证分割条能够分割被覆盖区的全部导电胶。

进一步地，本发明的每个分割条的横截面为等腰三角形，有利于超声振动时分割条上导电胶的滑落和其余电子器件挤压尖端时对导电胶的分割，并使两侧具有相同的分割效果。

进一步地，本发明的每个分割条与柔性衬底为一体结构，采用一体结构制作工艺简单，且结构稳定。

本发明的一种微结构柔性电极的制备方法，首先制作衬底上表面具有分割条的柔性衬底，然后在分割条的两侧制作电极单元，得到微结构柔性电极，制作方法整合了倒模工艺和薄膜沉积工艺，其制作工艺简单，便于加工制作。

进一步地，本发明采用氮等离子体对柔性衬底的上表面进行处理，氮等离子体相对氧等离子体具有更高效的表面改性能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中柔性衬底的轴测图；

图2为图1的俯视图；

图3本发明微结构柔性电极结构的轴测图；

图4为图3中M区域的放大图；

图5为本发明微结构柔性电极结构的主视图；

图6为图5中N区域放大的俯视图。

图中：1-柔性衬底；2-分割条；3-电极单元；4-被覆盖区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的某一具体实施方式，一种微结构柔性电极，请结合图1和图2所示，包括柔性衬底1，在柔性衬底1的上表面设置有若干分割条2，每个分割条2呈倒V形状，每个分割条2与柔性衬底1为一体结构，具体的，每个分割条2与柔性衬底1均以高弹性柔性聚合物(如PDMS、聚氨酯、共聚酯等)为材料，以刻蚀了V形凹槽结构的硅片为模板，通过倒模工艺制得。优选的，每个分割条2的横截面为等腰三角形，等腰三角形的底角为35.26°或其它单晶硅不同晶面夹角角度，等腰三角形的底边宽为1um-100um。

结合图3所示，每个分割条2的两侧分别设置有电极单元3，也就是说，每个分割条2分布在一对电极单元中的相邻电极单元之间，每个分割条2的方向平行于其两侧的电极单元3。电极单元3以金属(金、银、铜等)为材料，通过光刻或激光烧结等其他图形化工艺制得，电极单元3的厚度为0.5um-10um。

如图6所示，每个分割条2的顶部至柔性衬底1上表面的距离大于电极单元3的厚度。结合图3和图4所示，记每个分割条2及其两侧的电极单元3用于与柔性电子器件接触的区域为被覆盖区域4，则每个分割条2的两端均超出其对应的被覆盖区域4。优选的，如图4所示，记被覆盖区域4的宽度方向与分割条2的长度方向一致，覆盖区域4的宽度为W，则每个分割条2的长度大于被覆盖区域4的宽度W的2倍，也就是说，每个分割条2的长度至少超出微结构柔性电极与电子器件粘接后被覆盖区域宽度的2倍。

微结构柔性电极作为柔性电子器件的独立结构，包括微结构柔性衬底和柔性衬底上层的电极单元(导线和电极)结构，其中相邻电极单元之间的间距为几微米到几十微米。本发明通过硅片倒模工艺制作的从柔性衬底1上凸起的倒V形分割条2，分布于一对相邻电极单元3中间，本发明的微结构柔性电极能够适用于微结构柔性电极与电子器件其余结构(如压阻材料、柔性传感器等)使用各向同性导电胶的粘接，因为通过倒V形分割条微结构有利于解决导电胶大面积涂敷引起的相邻电极单元短路问题，为小节距多电极单元的粘接提供了一种新的解决思路，有利于降低柔性电子器件的微组装操作难度，促进柔性电子器件的微型化发展。

综上，倒V形分割条2分布在相邻电极单元3中间，此位置在使用各向同性导电胶大面积涂敷粘接后，固化后的残胶不易清洗，在传统的平坦式电极中易产生短路问题，但本发明中的从衬底上凸起的倒V形分割条2可以通过超声振动和在器件上方施加正压力等方式，使分割条2上的导电胶滑落减薄，粘接后达到分割连续导电胶、阻断相邻电极单元3之间的电连接的目的，有利于解决各向同性导电胶大面积涂敷导致的短路问题，为多I/O口柔性电子器件的电极粘接提供了一种新的解决思路。

本发明微结构柔性电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制作衬底上表面具有分割条2的柔性衬底1；具体如下：

步骤1.1：清洗沉积有二氧化硅的单晶硅片，喷涂一层光刻胶，曝光后显影出V形凹槽的长宽尺寸，热烘，通过反应离子刻蚀二氧化硅，刻蚀后的二氧化硅作掩膜层，通过各向异性腐蚀刻蚀出V形凹槽，作为柔性衬底模板；

在模板上喷涂一层脱模剂，然后将液态的柔性聚合物(PDMS、聚氨酯、共聚酯等)浇注到开设有V形槽的单晶硅模板上，加热固化；

步骤1.2：剥离固化后的柔性聚合物，得到具有倒V形微结构的分割条2的柔性衬底1。

步骤2：在分割条2的两侧利用溅射或其他低温工艺沉积金属层，形成图形化的导线和电极层，即电极单元3，得到微结构柔性电极；具体可采用如下两种方法制作：

第一种方法：

步骤2.1：在柔性衬底1的上表面喷涂一层正性光刻胶，曝光后显影出电极单元3的形状；

步骤2.2：用氮等离子体对柔性衬底1的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.3：在柔性衬底1上表面的分割条2两侧通过溅射或其他低温工艺沉积金属微粒(如金、银、铜等)，形成图形化的电极层，即电极单元3；

步骤2.4：清洗光刻胶。

或者，第二种方法：

步骤2.1：用氮等离子体对柔性衬底1的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.2：在柔性衬底1的上表面通过溅射或其他低温工艺沉积金属微粒(如金、银、铜等)层；

步骤2.3：在分割条2的两侧金属微粒层上喷涂一层负性光刻胶，曝光后显影出电极单元3的形状的互补部分；

步骤2.4：通过湿法腐蚀将电极单元3的形状的互补部分刻蚀掉，剩余金属微粒层形成电极单元3；

步骤2.5：清洗光刻胶。

下面结合一具体实施例，进一步说明微结构柔性电极的制备方法。

1.清洗沉积有二氧化硅的110型单晶硅片，旋涂一层光刻胶，曝光后显影出凹槽的长宽尺寸，热烘，通过反应离子刻蚀二氧化硅，刻蚀后的二氧化硅作掩膜层，通过各向异性腐蚀刻蚀出V形凹槽，作衬底模板；

2.在模板上喷涂一层脱模剂，然后将液态的PDMS浇注到模板硅片上，70℃固化2h；

3.剥离聚合物，获得具有倒V形微结构分隔条2的柔性衬底1；

4.在做好的聚合物柔性衬底1上喷涂一层光刻胶，然后曝光、显影，将倒V形分隔条2侧壁两侧的电极和其他区域的导线形状暴露出来；

5.用氮等离子体对柔性衬底1表面进行处理，以获得具有更高亲水性的PDMS表面；

6.在PDMS柔性衬底1上溅射沉积金微粒，形成图形化电极单元3(导线和电极层)；

7.用丙酮、酒精、去离子水超声振动清洗光刻胶。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微结构柔性电极，其特征在于，包括柔性衬底(1)，所述柔性衬底(1)的上表面设置有若干分割条(2)，每个所述分割条(2)呈倒V形状，每个所述分割条(2)的两侧分别设置有电极单元(3)；

每个所述分割条(2)的顶部至所述柔性衬底(1)上表面的距离大于所述电极单元(3)的厚度；

记每个所述分割条(2)及其两侧的所述电极单元(3)用于与柔性电子器件接触的区域为被覆盖区域(4)，则每个所述分割条(2)的两端均超出其对应的所述被覆盖区域(4)。

2.根据权利要求1所述的一种微结构柔性电极，其特征在于，记所述被覆盖区域(4)的宽度方向与所述分割条(2)的长度方向一致，则每个所述分割条(2)的长度大于所述被覆盖区域(4)的宽度的两倍。

3.根据权利要求1所述的一种微结构柔性电极，其特征在于，每个所述分割条(2)的横截面为等腰三角形。

4.根据权利要求1所述的一种微结构柔性电极，其特征在于，每个所述分割条(2)与所述柔性衬底(1)为一体结构，每个所述分割条(2)与所述柔性衬底(1)均为柔性聚合物。

5.根据权利要求1所述的一种微结构柔性电极，其特征在于，所述电极单元(3)为金属。

6.一种柔性电子器件，其特征在于，应用了如权利要求1至5任一项所述的微结构柔性电极。

7.根据权利要求1至5任一项所述的微结构柔性电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作衬底上表面具有所述分割条(2)的所述柔性衬底(1)；

步骤2：在所述分割条(2)的两侧制作所述电极单元(3)，得到微结构柔性电极。

8.根据权利要求7所述的微结构柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：

步骤1.1：将液态柔性聚合物浇注到开设有V形槽的单晶硅模板上，加热固化；

步骤1.2：剥离固化后的柔性聚合物，得到具有所述分割条(2)的所述柔性衬底(1)。

9.根据权利要求7所述的微结构柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：

步骤2.1：在所述柔性衬底(1)的上表面喷涂一层正性光刻胶，曝光后显影出所述电极单元(3)的形状；

步骤2.2：用氮等离子体对所述柔性衬底(1)的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.3：在所述柔性衬底(1)上表面的所述分割条(2)两侧通过低温工艺沉积金属微粒，形成所述电极单元(3)。

10.根据权利要求7所述的微结构柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：

步骤2.1：用氮等离子体对所述柔性衬底(1)的上表面进行处理，获得具有更高亲水性的表面；

步骤2.2：在所述柔性衬底(1)的上表面通过其他低温工艺沉积金属微粒层；

步骤2.3：在所述分割条(2)的两侧金属微粒层上喷涂一层负性光刻胶，曝光后显影出所述电极单元(3)的形状的互补部分；

步骤2.4：通过湿法腐蚀将所述电极单元(3)的形状的互补部分刻蚀掉，剩余金属微粒层形成所述电极单元(3)。

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