CN112875639A - 复合柔性衬底及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合柔性衬底及其制作方法，包括：包括多个金属基体模块和多个聚合物基体模块，其中：金属基体模块与聚合物基体模块按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块被金属基体模块间隔开；金属基体模块与聚合物基体模块的接触面进行固定连接；交错排布的金属基体模块与聚合物基体模块共同构成长方体的金属‑聚合物复合柔性衬底。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种复合柔性衬底及其制作方法。
背景技术
柔性衬底作为柔性微机电系统(MEMS)器件中必要的组成结构之一，被广泛运用于诸如柔性应变传感器、温度传感器等柔性MEMS器件。相对于传统MEMS器件的结构固定、材料脆、不易变形等特点而言，柔性MEMS器件具有能弯曲、易拉伸、变形适应能力强等特点，因而被应用于更加复杂工况和形貌的环境中进行传感测试。然而，应用于传统MEMS器件的半导体材料和金属材料多呈脆性，其延展率较低、变形能力差，而聚合物材料多表现出更加优秀的延展弯曲变形能力，因此，现有柔性衬底多由聚合物材料制成。
但是，由聚合物材料制成的柔性衬底在较高温度的环境下应用会发生热膨胀，衬底自身热膨胀带来的形变会进一步导致安装在衬底上的敏感材料发生形变，进而对MEMS器件传感测试数据带来不可忽略的误差影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合柔性衬底及其制作方法，以解决现有的聚合物材料制成的柔性衬底的热膨胀对MEMS器件传感测试数据带来误差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种复合柔性衬底，包括多个金属基体模块和多个聚合物基体模块，其中：
金属基体模块与聚合物基体模块按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块被金属基体模块间隔开；
金属基体模块与聚合物基体模块的接触面进行固定连接；
交错排布的金属基体模块与聚合物基体模块共同构成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，金属基体模块与聚合物基体模块均为长方体，多个金属基体模块与聚合物基体模块沿其长度方向和高度方向形成的平面紧密接触；
每个金属基体模块的长度方向与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行，聚合物基体模块的长度方向也与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，所述金属-聚合物复合柔性衬底的长度方向为排布方向，所述金属基体模块的长度方向与排布方向成一定夹角，所述夹角为30°～135°之间；
调节所述夹角以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数比值。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，调节金属基体模块的深宽比、金属基体模块的分布数目、金属基体模块长度、以及金属基体模块宽度中的一个或多个，以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数的各向异性。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，金属基体模块与聚合物基体模块的形状包括两个截面为直角三角形的三棱柱、多个截面为等腰梯形的四棱柱、多个相同的平行六面体，其中，所有三棱柱、四棱柱、平行六面体的高度相等；
三棱柱、四棱柱、平行六面体以与高度方向垂直的平面为接触面紧密排布，形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，所述聚合物基体模块的材料为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚乙烯。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，所述金属基体模块的材料为镍或铜。
可选的，在所述的复合柔性衬底中，所述金属基体模块通过电镀金属形成。
本发明还提供一种制作如上所述的复合柔性衬底的方法，包括：
准备多个形状为长方体的金属基体模块和聚合物基体模块，将金属基体模块和聚合物基体模块沿排布方向排布后，直接形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底；
金属基体模块的长度方向与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行，以减小金属基体模块的长度方向的热膨胀形变。
本发明还提供一种制作如上所述的复合柔性衬底的方法，包括：
准备多个形状为长方体的金属基体模块和聚合物基体模块，将金属基体模块和聚合物基体模块沿排布方向排布后，组成衬底材料层；
根据复合柔性衬底的用途确定长方体的金属-聚合物复合柔性衬底的侧面与排布方向的夹角，根据夹角在衬底材料层上切割，形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底；
该复合柔性衬底可以调控复合柔性衬底的热膨胀系数，适用于灵活应用多种用途的柔性衬底的制作；
通过调节所述夹角以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数比值。
在本发明提供的复合柔性衬底及其制作方法中，通过金属基体模块与聚合物基体模块按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块被金属基体模块间隔开，金属基体模块与聚合物基体模块的接触面进行固定连接，使得复合柔性衬底应用于高温环境时，由于金属基体模块热膨胀系数小于聚合物基体模块热膨胀系数，在沿垂直于排布方向上，两种材料在接触面处将由于热膨胀系数失配而产生热应力，金属的弹性模量远大于聚合物的弹性模量，因此，该应力会对聚合物沿接触面切向方向的形变产生约束力，极大地限制聚合物基体沿该方向的热膨胀形变，而金属基体部分由于该应力产生的形变很小，对于受到垂直于排布方向上的误差干扰的检测量，该结构可以有效的消除复合柔性衬底的热膨胀对MEMS器件传感测试数据带来的误差。
另外，聚合物基体模块沿排布方向可自由膨胀，但沿垂直于排布方向受到金属基体模块的限制，聚合物基体模块在两个方向上表现出热膨胀系数各向异性，进而使得复合柔性衬底整体热膨胀系数表现各向异性。通过对金属基体模块的深宽比、分布数目、排布方向、金属基体模块长度及宽度等来实现复合柔性衬底在不同方向上热膨胀系数的精确调控。
附图说明
图1是本发明一实施例复合柔性衬底示意图；
图2是本发明一实施例复合柔性衬底中金属基体模块与聚合物基体模块均为长方体的示意图；
图3是本发明一实施例复合柔性衬底金属基体模块的长度方向与排布方向成不垂直的示意图；
图4是本发明一实施例复合柔性衬底制作方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的复合柔性衬底及其制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种复合柔性衬底及其制作方法，以解决现有的聚合物材料制成的柔性衬底的热膨胀对MEMS器件传感测试数据带来误差的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种复合柔性衬底及其制作方法，包括：包括多个金属基体模块和多个聚合物基体模块，其中：金属基体模块与聚合物基体模块按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块被金属基体模块间隔开；金属基体模块与聚合物基体模块的接触面进行固定连接；交错排布的金属基体模块与聚合物基体模块共同构成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底。
此外，本发明的目的除了消除柔性衬底的热膨胀对MEMS器件传感测试数据带来的误差外，还基于以下洞察提出不同的实施例：在实际工程应用中，在某个方向上的物理量变化会成为主要被关注的对象，而另一方向上的物理量表现出较小乃至可被忽略的影响。选择性地强化对关注方向上物理量的感知也更加符合实际工程的需求。当聚焦于温度对柔性衬底带来的影响时，由聚合物材料制成的柔性衬底热膨胀表现各向同性，无法人为调整不同方向上柔性衬底的形变能力。
现有的柔性衬底中，金属与聚合物复合制成的复合柔性衬底多通过掺杂金属颗粒或纳米线等至聚合物中，如电子科技大学的Zhang Shangjie等人于2015年在《Highlystretchable,sensitive,and flexible strain sensors based on silvernanoparticles/carbon nanotubes composites》中将纳米银粒子与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合制成具有感知应变能力的柔性衬底。或通过溅射金属薄膜于聚合物表面，如巴黎第13大学的Faurie D等人于2019年在《In situ x-ray diffraction analysis of 2Dcrack patterning in thin films》中将镍金属溅射生长薄膜于聚酰亚胺表面制成复合柔性衬底。现有的将金属与聚合物进行复合的制造工艺方法，无法制得可在不同方向上选择性地调控热膨胀系数的复合柔性衬底，更不能有效的消除柔性衬底的热膨胀对MEMS器件传感测试数据带来的误差。同时，上述制造方法将敏感层材料与柔性衬底混合在一起，或分层结合，并未真正意义上制备出仅用作衬底结构的金属-聚合物复合柔性衬底。
基于以上洞察，本发明提出了一种具有热膨胀各向异性、热膨胀系数可调控、低内应力的金属-聚合物复合柔性衬底，并且希望其工艺过程尽可能简单和便捷，让人们更加方便制造这种大规模应用于复杂工况的复合柔性衬底。本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体的是一种具有热膨胀各向异性可调控的金属-聚合物复合柔性衬底。
本实施例提供了一种热膨胀系数各向异性可调控的金属-聚合物复合柔性衬底，如图1所示，包括多个金属基体模块1和多个聚合物基体模块2，其中：金属基体模块1与聚合物基体模块2按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块2被金属基体模块1间隔开；例如形成“聚合物基体模块2——金属基体模块1——聚合物基体模块2”的排布方式。金属基体模块1与聚合物基体模块2的接触面进行固定连接；交错排布的金属基体模块1与聚合物基体模块2共同构成金属-聚合物复合柔性衬底。所述复合柔性衬底中的金属基体模块1可与排布方向成一定夹角，且该夹角可调。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，金属基体模块1与聚合物基体模块2的排布最终形成一长方体复合柔性衬底，金属基体模块1与聚合物基体模块2均为小长方体，多个小长方体沿长度方向和高度方向形成的平面紧密接触，并固定连接。即每个金属基体模块1的长度方向可以与长方体复合柔性衬底的宽度方向平行，聚合物基体模块2的长度方向也与长方体复合柔性衬底的宽度方向平行。
在该实施例中，当外界环境温度升高时，复合柔性衬底由于热膨胀开始发生形变。一般的，金属的热膨胀系数小于聚合物的热膨胀系数。在同一温度下，金属产生的热膨胀形变量小于聚合物产生的热膨胀形变量。在沿排布方向(长方体复合柔性衬底的长度方向)上，聚合物基体模块2可以自由地向两端进行膨胀；但在沿垂直于排布方向上，金属基体与聚合物基体进行固定连接，两种材料在接触面处将由于热膨胀系数失配而产生热应力。金属的弹性模量远大于聚合物的弹性模量，因此，该应力会对聚合物沿接触面切向方向的形变产生约束力，极大地限制聚合物基体沿该方向的热膨胀形变，而金属基体部分由于该应力产生的形变很小。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，金属基体模块1与聚合物基体模块2的排布最终形成一长方体复合柔性衬底，金属基体模块1与聚合物基体模块2的形状包括两个相同的三棱柱、多个四棱柱、多个相同的平行六面体，其中，所有三棱柱、四棱柱、平行六面体的高度相等。
其中，每个四棱柱的截面均为等腰梯形，一半的四棱柱堆叠后组成一个大等腰梯形，另一半的四棱柱堆叠后组成一个相同的大等腰梯形；三棱柱的截面为直角三角形，直角三角形的长边与大等腰梯形的上底相等，一个三棱柱堆叠在一个大等腰梯形上形成一个大三棱柱，大三棱柱的截面为大直角三角形；大直角三角形的长边与平行六面体的长度相等，平行六面体沿长度方向和高度方向形成的平面紧密接触，形成大平行六面体，两个大直角三角形分布在大平行六面体的两侧。即复合柔性衬底的长度方向为排布方向。
在该实施例中，聚合物基体模块2在沿排布方向和垂直于排布方向的这两个方向上表现出热膨胀系数各向异性，进而导致整个复合柔性衬底在这两个方向上表现出热膨胀系数各向异性。此外，金属基体模块1与排布方向呈一定夹角，调控该夹角可以进一步微调在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数比值。调控金属基体模块1的深宽比、分布数目、排布方向、金属基体模块1长度及宽度等，可以调控聚合物基体模块2热膨胀系数的各向异性，从而实现复合柔性衬底在不同方向上热膨胀系数的精确调控。
在本发明的一个实施例中，复合柔性衬底的制作方法包括：如图4所示，准备多个形状为小长方体的金属基体模块1和聚合物基体模块2，将金属基体模块1和聚合物基体模块2沿排布方向排布后，直接形成金属基体模块1的长度方向与复合柔性衬底的宽度方向平行的复合柔性衬底，该复合柔性衬底的优势在于适用于作为低内应力的金属-聚合物复合柔性衬底。
在本发明的另一个实施例中，复合柔性衬底的制作方法还可以包括：准备多个形状为小长方体的金属基体模块1和聚合物基体模块2，将金属基体模块1和聚合物基体模块2沿排布方向排布后，组成面积大于复合柔性衬底的衬底材料层，根据复合柔性衬底的用途(例如温度传感器、应变传感器等，不同的用途具有不同的热膨胀各向异性要求)确定长方体复合柔性衬底的侧面与排布方向的夹角，根据夹角在衬底材料层上切割，形成长方体复合柔性衬底；该复合柔性衬底可以调控复合柔性衬底的热膨胀系数，适用于灵活应用多种用途的复合柔性衬底的制作。
所述复合柔性衬底中的金属基体模块1通过电镀金属形成。所述复合柔性衬底中的聚合物基体模块2为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚乙烯。所述复合柔性衬底中的金属基体模块1为镍或铜。金属基体模块1长度为5000～12000微米，宽度为50～5000微米，高度为5～50微米；聚合物基体模块2长度为5000～12000微米，宽度为50～5000微米，高度为5～50微米；两基体模块宽度可不一致，高度需要保持一致。金属基体模块1与排布方向垂直时，两基体长度需保持一致。金属基体模块1与排布方向呈一定夹角时，两基体模块共同组成的复合柔性衬底需保持边缘平直。
本发明提供一种热膨胀系数各向异性可调控的金属-聚合物复合柔性衬底。主要由金属基体模块1和聚合物基体模块2组成。金属基体模块1与聚合物基体模块2有序交错间隔式排布，共同形成复合柔性衬底。本发明所述复合柔性衬底应用于高温环境时，由于金属基体模块1热膨胀系数小于聚合物基体模块2热膨胀系数，聚合物基体模块2沿排布方向可自由膨胀，但沿垂直于排布方向受到金属基体模块1的限制。聚合物基体模块2在两个方向上表现出热膨胀系数各向异性，进而使得复合柔性衬底整体热膨胀系数表现各向异性。通过对金属基体模块1的深宽比、金属基体模块分布数目、金属基体模块排布方向、金属基体模块长度及金属基体模块宽度等来实现复合柔性衬底在不同方向上热膨胀系数的精确调控。
综上，上述实施例对复合柔性衬底的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合柔性衬底，其特征在于，包括多个金属基体模块和多个聚合物基体模块，其中：
金属基体模块与聚合物基体模块按照规律交错排布，以使任意两个聚合物基体模块被金属基体模块间隔开；
金属基体模块与聚合物基体模块的接触面进行固定连接；
交错排布的金属基体模块与聚合物基体模块共同构成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底。
2.如权利要求1所述的复合柔性衬底，其特征在于，金属基体模块与聚合物基体模块均为长方体，多个金属基体模块与聚合物基体模块沿其长度方向和高度方向形成的平面紧密接触；
每个金属基体模块的长度方向与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行，聚合物基体模块的长度方向也与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行。
3.如权利要求1所述的复合柔性衬底，其特征在于，所述金属-聚合物复合柔性衬底的长度方向为排布方向，所述金属基体模块的长度方向与排布方向成一定夹角，所述夹角为30°～135°之间；
调节所述夹角以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数比值。
4.如权利要求3所述的复合柔性衬底，其特征在于，调节金属基体模块的深宽比、金属基体模块的分布数目、金属基体模块长度、以及金属基体模块宽度中的一个或多个，以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数的各向异性。
5.如权利要求3所述的复合柔性衬底，其特征在于，金属基体模块与聚合物基体模块的形状包括两个截面为直角三角形的三棱柱、多个截面为等腰梯形的四棱柱、多个相同的平行六面体，其中，所有三棱柱、四棱柱、平行六面体的高度相等；
三棱柱、四棱柱、平行六面体以与高度方向垂直的平面为接触面紧密排布，形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底。
6.如权利要求1所述的复合柔性衬底，其特征在于，所述聚合物基体模块的材料为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚乙烯。
7.如权利要求1所述的复合柔性衬底，其特征在于，所述金属基体模块的材料为镍或铜。
8.如权利要求1所述的复合柔性衬底，其特征在于，所述金属基体模块通过电镀金属形成。
9.一种制作如权利要求1所述的复合柔性衬底的方法，其特征在于，包括：
准备多个形状为长方体的金属基体模块和聚合物基体模块，将金属基体模块和聚合物基体模块沿排布方向排布后，直接形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底；
金属基体模块的长度方向与金属-聚合物复合柔性衬底的宽度方向平行，以减小金属基体模块的长度方向的热膨胀形变。
10.一种制作如权利要求1所述的复合柔性衬底的方法，其特征在于，包括：
准备多个形状为长方体的金属基体模块和聚合物基体模块，将金属基体模块和聚合物基体模块沿排布方向排布后，组成衬底材料层；
根据复合柔性衬底的用途确定长方体的金属-聚合物复合柔性衬底的侧面与排布方向的夹角，根据夹角在衬底材料层上切割，形成长方体的金属-聚合物复合柔性衬底；
该复合柔性衬底可以调控柔性衬底的热膨胀系数，适用于灵活应用多种用途的复合柔性衬底的制作；
通过调节所述夹角以调节聚合物基体模块在沿排布方向和垂直于排布方向上的热膨胀系数比值。
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