CN112091419B - 一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法 - Google Patents

一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，属于柔性压力传感器模板技术领域，首先基于百TW/cm2高强度激光在硅片以及金属表面上制备微结构模板，通过扫描振镜系统调控高强度激光的运动轨迹及速度，可以实现模板的图案化制备，接下来对模板进行表面硅烷化处理，并通过生长一层Parylene的方式减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并且在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。在本发明中主要采用高强度激光烧蚀的方式一方面可以实现模板高效快速制备，并且对材料没有选择性，另一方面通过引入尺寸较小的微纳米结构，有效的提高器件的稳定性以及灵敏度，这在传感器制备领域具有巨大的应用潜力以及诱人的发展前景。

Description

一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器 模板的方法
技术领域
本发明属于柔性压力传感器模板技术领域，具体涉及一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法。
背景技术
随着物联网以及智能产业的迅速发展，传感器作为重要的部件之一，被广泛的应用在人工智能、医疗诊断以及可穿戴电子设备等领域。伴随着柔性压力传感器的关注度日愈增多，提高柔性传感器的传感性能显得尤为重要。除了传感原理对传感器的性能起到决定性影响，其物理结构也会对传感器的性能产生明显的影响，目前较为有效的方式是引入微纳结构来提高器件的传感性能，可以在提高传感器灵敏度的同时降低最低检测压强。然而传统引入微纳米结构的方式多采用高能耗、高耗时、高成本的制备工艺，如光刻，纳米压印、气相沉积法等，不利于大面积的制备，进而限制了柔性传感器的应用范围。近年来，飞秒激光基于自身无污染、操控性强以及低成本等优势，被广泛的用在材料表面来诱导微结构，然而这种近场紧聚焦的方式其加工的分辨率仅为几微米，同样无法实现高效快速大面积样品的制备。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提出一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效快速图案化制备柔性压力传感器模板的方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明通过如下技术方案实现的：
一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，具体步骤如下：首先基于百TW/cm2高强度激光在硅片或金属表面上制备微结构模板，通过扫描振镜系统调控高强度激光的运动轨迹及速度，实现模板的图案化制备，然后对模板进行表面硅烷化处理，并生长一层Parylene，可以减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并且在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。
优选地，一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，具体步骤如下：
步骤1：将模板依次放入丙酮、乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的模板放置在三维精密位移平台的载物台上；
步骤2：通过编写Visual Studio程序控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控高强度激光运动的轨迹及速度，从而实现高效快速图案化传感器模板的制备；
步骤3：对微结构模板进行硅烷化处理，将制备好的微结构模板放置在配置好的硅烷化溶液中30min，后将模板取出在空气中放置，让模板表面硅烷化溶液蒸发；
步骤4：采用真空下气相沉积方法在模板表面生长一层0.5μm Parylene薄膜，减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。
优选地，步骤2所述的激光的脉冲中心波长为800nm，重复频率为500Hz，脉宽为35fs，经过焦距为1m的平凸透镜在空气中聚焦，基于飞秒激光非线性大气传输成丝形成100-200微米直径、50-150TW/cm2高强度激光脉冲。
优选地，步骤2中激光脉冲传播路径中还包括空间分布的相位结构透镜阵列，用于产生规律分布的多丝，提高模板制备效率。
优选地，步骤3中所述的硅烷化溶液为IPA：DIH2O：a-174(异丙醇：去离子水：硅烷偶联剂)按照体积比为100:100:1混合而成。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、基于百TW/cm2高强度激光直径大的优势可以实现模板的高效快速制备；
(2)、基于高强度激光烧蚀对材料没有选择性，可以在不同材料表面实现模板的制备，不受硅片晶圆尺寸的限制，可以实现大面积模板的制备；
(3)、基于高强度激光在模板表面诱导出的尺寸较小的微纳米结构，可以有效的提高器件的性能，并通过改变激光加工参数以及不同的气体环境可以对诱导出的微纳结构的尺寸和形状进行调控，进而调节传感器的量程以及灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为基于高强度激光烧蚀的方式在不同材料上制备出的微结构模板(a)硅片(b)201不锈钢；
图2为基于高强度激光烧蚀微结构硅模板制备出的柔性压阻式压力传感器性能测试，20Pa测试压力响应图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本发明公开一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效快速图案化制备柔性压力传感器模板的方法，首先基于百TW/cm2高强度激光在硅片以及金属表面上制备微结构模板，通过扫描振镜系统调控高强度激光的运动轨迹及速度，可以实现模板的图案化制备，接下来对模板进行表面硅烷化处理，并通过生长一层 Parylene的方式减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并且在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。在本发明中主要采用高强度激光烧蚀的方式一方面可以实现模板高效快速制备，并且对材料没有选择性，另一方面通过引入尺寸较小的微纳米结构，有效的提高器件的稳定性以及灵敏度，这在传感器制备领域具有巨大的应用潜力以及诱人的发展前景。
实施例2
便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例提供的一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效快速图案化制备柔性压力传感器模板的方法进行详细介绍，所述的基于百TW/cm2量级高强度激光高效快速图案化制备柔性压力传感器模板的方法，其特征在于，包括三个步骤：高强度激光制备微结构模板，模板硅烷化处理、生长Parylene。
在本实例中，所述的高强度激光制备微结构模板采用高强度激光烧蚀的方式，激光脉冲中心波长为800nm，重复频率为500Hz，脉宽为35fs，经过焦距为1m的平凸透镜在空气中聚焦，基于激光非线性传输大气成丝形成100-200 微米直径、50-150TW/cm2高强度激光脉冲。
在本实例中，所述的高强度激光制备微结构模板通过编写指令控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控高强度激光的运动轨迹及速度，最终实现模板的图案化制备。
在本实例中，所述的高强度激光制备微结构模板可以在激光脉冲传播路径中插入空间分布的相位结构透镜阵列，从而可以产生规律分布的多丝，提高模板制备效率。
在本实例中，所述的高强度激光烧蚀材料表面诱导出的均匀小尺寸微纳米结构可以有效的提高器件的稳定性以及灵敏度，通过改变激光加工参数以及不同的气体环境可以对诱导出的微纳结构的尺寸和形状进行调控，进而调节传感器的量程以及灵敏度。
在本实例中，所述的高强度激光烧蚀的方式对材料没有选择性，可以在不同材料表面实现模板的制备，不受硅片晶圆尺寸的限制，可以实现大面积模板的制备。
在本实例中，所述的模板硅烷化处理通过将模板放置在配置好的硅烷化溶液中进行充分接触，以增强Parylene与模板的粘附性。
在本实例中，所述的生长Parylene可以减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并且在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。
在本实例中，图1给出了基于高强度激光烧蚀的方式分别在(a)硅片和(b)201 不锈钢制备出的微结构模板，可以看出采用高强度激光烧蚀的方式对材料没有选择性，可以在不同材料表面实现模板的制备。
在本实例中，图2给出基于高强度激光烧蚀方式得到的微结构硅模板翻模制备出的柔性压阻式压力传感器20Pa测试压力响应图，采用的扫描速度为2.5mm/s，器件制备采用正对组装方式，可以看出制备出的器件具有较好的稳定性、重复性以及较高的灵敏度。
实施例3
一种基于飞秒激光大气非线性传输成丝技术的百TW/cm2量级高强度激光高效快速图案化制备柔性压力传感器模板的方法，该方法包括：
步骤1：将模板依次放入丙酮、乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的模板放置在三维精密位移平台的载物台上，三维精密位移平台由三个精密电控位移平台以及一个直角固定块(北京北光世纪公司)组合而成。
步骤2：通过编写Visual Studio程序控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控高强度激光运动的轨迹及速度，从而实现高效快速图案化柔性传感器模板的制备。另外，可以在飞秒激光脉冲传播路径中插入空间分布的相位结构透镜阵列，从而可以产生规律分布的多丝，提高模板制备效率。
步骤3：对微结构模板进行硅烷化处理，将制备好的微结构模板放置在配置好的硅烷化溶液中30min，硅烷化溶液的配比(体积比)为IPA：DIH2O：a-174 (异丙醇：去离子水：硅烷偶联剂)＝100:100:1，后将模板取出在空气中放置，让模板表面硅烷化溶液慢慢蒸发。此步骤是生长聚对二甲苯(Parylene)的预备步骤，硅烷化的作用主要是减少氢键束缚，降低表面极性，增强Parylene与模板的粘附性。
步骤4：采用真空下气相沉积方法在模板表面生长一层0.5μm Parylene薄膜，减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，其特征在于，具体步骤如下：首先基于百TW/cm2高强度激光在硅片或金属表面上制备微结构模板，通过扫描振镜系统调控高强度激光的运动轨迹及速度，实现模板的图案化制备，然后对模板进行表面硅烷化处理，并生长一层Parylene；
具体步骤如下：
步骤1：将模板依次放入丙酮、乙醇以及去离子水中进行超声清洗，将清洗后的模板放置在三维精密位移平台的载物台上；
步骤2：通过编写Visual Studio程序控制扫描振镜系统中镜片的偏转，进而调控高强度激光运动的轨迹及速度，从而实现高效快速图案化传感器模板的制备；
步骤3：对微结构模板进行硅烷化处理，将制备好的微结构模板放置在配置好的硅烷化溶液中30min，后将模板取出在空气中放置，让模板表面硅烷化溶液蒸发；
步骤4：采用真空下气相沉积方法在模板表面生长一层0.5μm Parylene薄膜，减少模板与PDMS间的粘附性，增加翻模成功率，并在模板表面形成坚固光滑的保护膜以便于多次翻模；
步骤2所述的激光的脉冲中心波长为800nm，重复频率为500Hz，脉宽为35fs，经过焦距为1m的平凸透镜在空气中聚焦，基于飞秒激光非线性大气传输成丝形成100-200微米直径、150 TW/cm2高强度激光脉冲。
2.如权利要求1所述的一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，其特征在于，步骤2中激光脉冲传播路径中还包括空间分布的相位结构透镜阵列，用于产生规律分布的多丝，提高模板制备效率。
3.如权利要求1所述的一种基于百TW/cm2量级高强度激光高效制备柔性压力传感器模板的方法，其特征在于，步骤3中所述的硅烷化溶液为异丙醇：去离子水：硅烷偶联剂按照体积比为100:100:1混合而成。
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