一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法技术

技术编号:15643657 阅读:315 留言:0更新日期:2017-06-16 18:08
本发明专利技术公开了一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,该方法首先将柔性基板进行预拉伸,然后使用电流体喷印工艺在基板上打印图案,电流体喷印工艺需要在喷嘴与基板之间施加高压交流电,将溶液从喷嘴拉出后直接在预拉伸基板上沉积岛桥结构,其中岛的直径范围为10um~200um、桥的宽度范围为200nm~30um,之后释放基板预应变,岛形貌基本不变,微桥受压屈曲,形成可延展岛桥结构。本发明专利技术所提出的可延展岛桥结构制备方法具有工艺简单、成本低、可实现大面积、阵列化制备等特点,在柔性/可延展电子领域具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法
本专利技术涉及柔性电子制造
,更具体地,涉及一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,其能够避免制造的微桥发生面外翘曲,提高制备工艺过程的效率和精度。
技术介绍
可延展柔性电子作为最具挑战性的柔性电子器件,除了能够实现弯曲变形外,还具备较大的拉伸、扭曲变形能力和局部大应变,同时具有尺度小、变形能力强、延展性大等特点。可延展柔性电子器件在信息、医疗、能源、国防等领域具有广泛应用前景,典型应用包括大面积传感器、柔性显示器、印刷RFID等。可延展柔性电子的核心在于可大变形柔性微纳功能结构的设计与制造,包括岛桥结构、折纸结构、剪纸结构等,其中岛桥结构因其结构简单、拉伸性能强而得到广泛关注。功能组件(岛)之间通过导线(桥)进行连接,岛通过化学方法粘合在经过预拉伸的基体上,桥与预拉伸基体之间可以粘合,也可以不粘合。当释放基板预应变后,微桥发生屈曲,形成具有拉伸能力的可延展岛桥结构,大大提升了柔性电子器件的延展性,可实现超过100%的变形,受到了诸多学者的关注,已被用于仿人眼的电子眼相机,柔性LED显示器,可拉伸晶体管、传感器等。目前,可延展岛桥结构的主流制作方法为先采用传统光刻、镀膜等工艺在硅基材上生成很薄的初始岛桥结构,再把初始岛桥结构转移到预拉伸的弹性橡胶基板上,且使微结构与橡胶基底间能部分或全部粘合,之后释放弹性橡胶基板的预应变,大尺寸岛(弯曲刚度大)保持原型,小尺寸微桥(弯曲刚度小)受挤压屈曲形成波纹结构。该制造方法原理简单,设计灵活,可控性强,可通过调整微桥的材料参数、截面、尺寸等,实现多种屈曲结构。但上述制备工艺过程复杂、效率低、微桥易发生面外翘曲。为了简化制作工艺,提高可延展岛桥结构的制备效率,方便进行大面积,大规模制作,本专利技术亟需改进上述工艺流程和方法,设计一种制备可延展岛桥结构的方法,使其能够避免制造的微桥发生面外翘曲,提高制备工艺过程的效率和精度,以便满足可延展岛桥结构的生产需要。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本专利技术提供了一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,该方法所采用的电流体喷印是非接触式的微纳加工方式,可以在不同材质、形貌的基底上直写微纳结构,且其工艺过程简单、可控性强,可通过调整工艺参数来实现不同的岛桥结构布局,从而提高岛桥结构的适应能力,通过调整工艺参数来控制微桥结构的高宽比,从而能够避免制造的微桥发生面外翘曲,提高制备工艺过程的效率和精度,尤其适合用于制备岛桥结构。为实现上述目的,按照本专利技术的一个方面,提供了一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,其特征在于,具体步骤如下:S1.准备一柔性基板,将该柔性基板拉伸至一定的程度后固定在一刚性基板上,将固定有柔性基板的刚性基板放置在运动平台上,并用夹具进行固定;S2.制备混合均匀的电喷印溶液,将其注入注射器及喷头内,挤压溶液使其从喷头的喷嘴处均匀流出;S3.调整喷头和柔性基板之间的距离,在喷头和柔性基板之间施加高压交流电,调整高压交流电的偏置、幅值、占空比和频率,使喷嘴处产生稳定的锥射流;S4.调整刚性基板的移动速度,使其按照设定的运动轨迹移动,在喷嘴的射流稳定后,直接在预拉伸的柔性基板上沉积打印出岛桥结构;S5.待打印完成后将柔性基板从刚性基板上取出,释放柔性基板的预应变,沉积在柔性基板上的岛桥结构中的微桥发生屈曲,形成可延展岛桥结构。进一步优选地,步骤S1中,所述柔性基板为弹性橡胶材料,其形状为平面或曲面;所述刚性基板为平面或复杂曲面形状。较多的比较试验表明,采用弹性橡胶材料具有更好地预拉伸效果,还可以与刚性基板的形状更好地贴合,从而得到效果更好地岛桥结构。优选地,步骤S2中,所述电喷印溶液为银浆、光刻胶、PEO或是其他高粘度聚合物溶液,在向注射器及喷头内注入电喷印溶液的过程中,采用气压或精密流量泵挤压溶液,喷嘴处溶液的流量的调整范围为1000nl/min~2000nl/min。较多的比较试验表明,采用高粘度的聚合物溶液作为电喷印溶液能够形成稳定的射流,进而沉积形成岛桥结构。而采用气压或精密流量泵挤压溶液,在给喷头灌入溶液的过程中需要避免气泡的产生,以保证在打印的过程中具有稳定的流量。优选地,步骤S3中调整喷头和柔性基板之间的距离时,该距离的调整范围为300um~600um。较多的比较试验表明,喷头与柔性基板之间的距离在上述范围内时,喷嘴流出的射流不会产生较大的偏移,能够精确定位沉积在柔性基板上,得到理想的岛桥结构。优选地,步骤S3中所述高压交流电为方波,其频率、幅值、偏置、占空比可调,所述高压交流电处于波谷(电压低值)位置时,喷嘴的射流变细,所述柔性基板上沉积的结构为桥;所述高压交流电处于波峰(电压高值)位置时,喷嘴的射流变粗,所述柔性基板上沉积的结构为岛。优选地,步骤S4中,所述刚性基板的移动速度范围为20mm/s~100mm/s,在打印得到的岛桥结构中,岛的直径范围为10um~200um,桥的宽度范围为200nm~30um。较多的比较试验表明,当刚性基板的移动速度在上述范围内时,能够保证射流稳定、不间断且不发生偏移,使得在基板上沉积出理想的岛桥结构。优选地,步骤S4中,所述的岛桥结构,相邻两岛之间的距离l与喷嘴相对于基板的运动速度v以及高压交流电频率f之间有以下关系:l=v/f优选地,步骤S5中,相邻两岛之间的距离l'可近似计算为:l'=d/ε其中,式中ε为柔性基底的预应变。优选地,步骤S5中,释放柔性基板预应变后,微桥受压屈曲形成具有延展性的波纹结构,该波纹结构的拉伸能力近似于柔性基板的预应变大小。具体地,本专利技术提供的一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,所述的溶液为银浆、光刻胶或是其他粘度比较高的功能性溶液;所述的溶液动力源可以为气压或是精密流量泵,并且能够调节流量的大小;所述的喷头为通用或是自制的喷头,能够给溶液通电或是能够在喷嘴处夹持电极;所述的交流电压可以为方波形式的交流电压,一端接喷头,一端接基板,能够通过PC端控制交流电压的频率、幅值、偏置、占空比等参数;使用高压放大器输出高压电,使用函数发生器产生波形作为高压放大器的输入信号,通过调控函数发生器产生的波形参数来控制交流电的相关参数。所述的基板运动速度可以通过PC端控制;具体地,在基板上沉积出的岛桥结构的直径/线宽可以通过调整供给流量、交流电压和基板运动速度来实现。在基板上沉积出的岛桥结构的相邻两岛的间距可以通过打印时使用的高压电源的频率和打印时基板的移动速度来进行调整。总体而言,通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下优点和有益效果:(1)本专利技术的制备可延展岛桥结构的方法,制作工艺方便简洁、效率高,可以一次性在基板上制备出大面积的微纳尺寸的岛桥结构。采用的电流体喷印是非接触式的微纳加工方式,可以在不同材质、形貌(平面/曲面)的基底上直写微纳结构,且其工艺过程简单、可控性强,可通过调整工艺参数来实现不同的岛桥结构布局,从而提高岛桥结构的适应能力,能够避免制造的微桥发生面外翘曲,提高制备工艺过程的效率和精度,适合制备可延展岛桥结构。(2)岛桥结构的尺寸可控,通过改变电喷印工艺参数即可实现不同尺寸岛桥结构的沉积;制作工艺方便简洁、效率高,可以一本文档来自技高网
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一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法

【技术保护点】
一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,其特征在于,具体步骤如下:S1.准备一柔性基板,将该柔性基板拉伸至一定的程度后固定在一刚性基板上,将固定有柔性基板的刚性基板放置在运动平台上,并用夹具进行固定;S2.制备混合均匀的电喷印溶液,将其注入注射器及喷头内,挤压溶液使其从喷头的喷嘴处均匀流出;S3.调整喷头和柔性基板之间的距离,在喷头和柔性基板之间施加高压交流电,调整高压交流电的偏置、幅值、占空比和频率,使喷嘴处产生稳定的锥射流;S4.调整刚性基板的移动速度,使其按照设定的运动轨迹移动,在喷嘴处的射流稳定后,直接在预拉伸的柔性基板上沉积打印出岛桥结构;S5.待打印完成后将柔性基板从刚性基板上取出,释放柔性基板的预应变,沉积在柔性基板上的岛桥结构中的微桥发生屈曲,形成可延展岛桥结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于电流体喷印技术制备可延展岛桥结构的方法,其特征在于,具体步骤如下:S1.准备一柔性基板,将该柔性基板拉伸至一定的程度后固定在一刚性基板上,将固定有柔性基板的刚性基板放置在运动平台上,并用夹具进行固定;S2.制备混合均匀的电喷印溶液,将其注入注射器及喷头内,挤压溶液使其从喷头的喷嘴处均匀流出;S3.调整喷头和柔性基板之间的距离,在喷头和柔性基板之间施加高压交流电,调整高压交流电的偏置、幅值、占空比和频率,使喷嘴处产生稳定的锥射流;S4.调整刚性基板的移动速度,使其按照设定的运动轨迹移动,在喷嘴处的射流稳定后,直接在预拉伸的柔性基板上沉积打印出岛桥结构;S5.待打印完成后将柔性基板从刚性基板上取出,释放柔性基板的预应变,沉积在柔性基板上的岛桥结构中的微桥发生屈曲,形成可延展岛桥结构。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述柔性基板为弹性橡胶材料,其形状为平面或曲面;所述刚性基板为平面或复杂曲面形状。3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,所述电喷印溶液为银浆、光刻胶、PEO或是其他高粘度聚合物溶液,在向注射器及喷头内注入电喷印溶液的过程中,采用气压或精密流量泵挤压溶液,喷嘴处溶液的流量的调整范围为1000nl/min~2000...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄永安段永青钟瑞徐洲龙尹周平
申请(专利权)人:华中科技大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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