一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置。鈮酸鋰晶片上制造一對叉指電極，無蓋的PDMS腔體覆蓋在鈮酸鋰晶片的正中央，兩個叉指電極分別位于PDMS腔體的兩側(cè)并呈對稱分布，PDMS腔體內(nèi)充滿由光敏材料和納米銀線組成的液態(tài)預(yù)聚物，UV固化燈置于鈮酸鋰晶片下方；啟動信號發(fā)生器，壓電晶片受到高頻交變電場的作用而激發(fā)聲表面波，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率使PDMS腔體覆蓋區(qū)域形成穩(wěn)定的駐波場；納米銀線線性排布，待排布穩(wěn)定后，采用UV固化燈對PDMS腔體進(jìn)行照射，使液態(tài)預(yù)聚物固化成型。本實用新型能實現(xiàn)快速制造柔性的微米線電極，具有操作簡便、可控性強(qiáng)和生產(chǎn)效率高等特點。
【專利說明】
一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種柔性線電極的制造技術(shù)，尤其是涉及了一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子產(chǎn)品的高速更新?lián)Q代與廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的剛性、不透明的電子元器件在力學(xué)、電學(xué)性能和制造過程等方面已經(jīng)無法滿足當(dāng)今醫(yī)療、工業(yè)和軍用等領(lǐng)域?qū)δ承┊a(chǎn)品的特殊需求。針對柔性可穿戴、可植入設(shè)備、觸屏和太陽能電池等電子系統(tǒng)，制造其中承擔(dān)能量傳導(dǎo)和信息傳輸作用的柔性電極是當(dāng)下研究的熱點和難題。柔性電路(FC)是一種將金屬附著在柔性基板上而兼具導(dǎo)電性和柔性的特殊電路，F(xiàn)C的主要結(jié)構(gòu)包含聚酰亞胺基板、導(dǎo)電銅箔，粘合劑和表面絕緣保護(hù)膜，具有重量輕，厚度薄和柔韌性好等特點。由于FC的制作工藝較為繁瑣，生產(chǎn)周期很長，同時存在鍍膜和刻蝕等流程，因此材料利用率很低。
[0003]銦錫氧化物(ITO)膜是一種N型半導(dǎo)體材料，具有電導(dǎo)率較高、化學(xué)穩(wěn)定性好和透明度高等特點，常被用于沉積在柔性材料上制作柔性導(dǎo)電薄膜。但基于ITO材料制備的導(dǎo)電薄膜柔性較低，彎曲條件下很容易發(fā)生斷裂，并且ITP材料價格昂貴，加之制造過程中材料的利用率很低，因此ITO材料的發(fā)展與應(yīng)用受到了很大的制約。由于具有電阻小和價格低廉等特點，納米銀線在一定程度上可以取代ITO作為制造柔性電極的功能材料，通過改變納米銀線在有機(jī)物基底的涂布或混合密度，可以改變由其制造導(dǎo)電材料的電阻率和透光性能。但是，無論采用何種材料制備微米級別的線電極，都要經(jīng)過進(jìn)一步的加工，比如電化學(xué)腐蝕，或機(jī)械切割，因此生產(chǎn)效率很低。
[0004]聲表面波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，其能量集中在表面上若干個波長范圍內(nèi)。由于聲表面波的傳播速度比電磁波低5個數(shù)量級，因此，更容易被取樣和處理?；谏鲜鰞?yōu)點，利用聲表面波可以實現(xiàn)電子學(xué)多種功能的模擬，因而極大促進(jìn)了電子元器件的小型化和多功能化。除此之外，由于聲表面波能量較為集中且可控性強(qiáng)，因此國外有大批學(xué)者采用聲表面波進(jìn)行微粒子操縱，利用其聲輻射力可以實現(xiàn)對微米級和亞微米級粒子進(jìn)行線性、陣列排布及移動。因此可以采用聲表面波對納米銀線顆粒進(jìn)行線性排布，再通過紫外光固化作用使有機(jī)物基底連同納米銀線一起固化，從而實現(xiàn)線電極的快速制造。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置。
[0006]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實用新型包括鈮酸鋰晶片、叉指電極、PDMS腔體和UV固化燈，在鈮酸鋰晶片上形成有一對平行的叉指電極，叉指電極與鈮酸鋰晶片構(gòu)成聲表面波換能器，聲表面波換能器與信號發(fā)生器的兩個輸出通道相連，無蓋的TOMS腔體覆蓋在鈮酸鋰晶片的正中央，兩個叉指電極分別位于PDMS腔體的兩側(cè)并呈對稱分布，PDMS腔體內(nèi)充滿有液態(tài)預(yù)聚物，UV固化燈置于PDMS腔體正下方。
[0008]所述的叉指電極包括位于上層的金和位于下層的絡(luò)，50nm厚度的絡(luò)在底層，150nm厚度的金在頂層，叉指電極通過光刻與蒸鍍的方法在鈮酸鋰晶片上形成。
[0009]所述的液態(tài)預(yù)聚物包括光敏材料與納米銀線，光敏材料以丙烯酸環(huán)氧樹脂為基底，以安息香雙甲醚作為光交聯(lián)劑，兩者混合而成，質(zhì)量比為97:3;納米銀線作為導(dǎo)電介質(zhì)，其直徑約為lOOnm，長度約為ΙΟμπι，納米銀線在液態(tài)預(yù)聚物中的填充量為15%。
[0010]所述的聲表面波換能器為均勻等周期叉指換能器、能激發(fā)單方向傳播聲表面波的單相單向型聲表面波換能器或者具有多共振頻率的叉指換能器。
[0011 ]所述的液態(tài)預(yù)聚物包括光敏材料與納米銀線，并通過超聲攪拌混合處理得到。
[0012]所述的光敏材料以環(huán)氧丙烯酸樹脂為基底，以安息香雙甲醚作為光交聯(lián)劑，兩者混合而成，質(zhì)量比為97:3。
[0013]所述的納米銀線作為導(dǎo)電介質(zhì)，直徑約為10nm，長度約為ΙΟμπι，納米銀線在液態(tài)預(yù)聚物中的填充量為15%。
[0014]本實用新型首先利用聲表面波駐波場中的輻射力實現(xiàn)納米銀線在基底材料中的線性排布，并應(yīng)用UV光固化反應(yīng)使含有線性排布納米銀線的液態(tài)預(yù)聚物固化成型。通過改變納米銀線在液態(tài)預(yù)聚物中的相對含量，可以調(diào)節(jié)柔性微米線電極的電阻率。采用不同工作頻率的聲表面波換能器進(jìn)行制造，可以獲得納米銀線排布間距不同的柔性微米線電極。
[0015]本實用新型的PDMS腔體即為聚二甲基硅氧烷腔體。
[0016]本實用新型具有的有益效果是:
[0017]本實用新型通過聲表面波的輻射力作用，實現(xiàn)液態(tài)預(yù)聚物中的納米銀線的線性快速自組裝排布，結(jié)合UV固化成型過程，實現(xiàn)柔性微米線電極的快速制造；
[0018]本實用新型通過調(diào)節(jié)聲表面波換能器工作的頻率，可以調(diào)整納米銀線的排布間距，從而實現(xiàn)柔性微米線電極的多尺度制造。
[0019]本實用新型可實現(xiàn)導(dǎo)電性從半導(dǎo)體級別到金屬級別的柔性微米線電極的制造，因此適用范圍廣。
[0020]本實用新型具有設(shè)備簡單、操作簡便、能耗低的特點。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖2是本實用新型啟動聲表面波換能器及UV固化燈后的成型示意圖。
[0023]圖3是本實用新型的未施加聲表面波的液態(tài)預(yù)聚物。
[0024]圖4是本實用新型制造的柔性微米線電極的示意圖。
[0025]圖中:1.叉指電極，2.鈮酸鋰晶片，3.TOMS腔體，4.液態(tài)預(yù)聚物，5.UV固化燈，6.含有線性排布納米銀線的柔性微米線電極。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0027]如圖1所示，本實用新型的制造裝置包括鈮酸鋰晶片2、叉指電極UPDMS腔體3和UV固化燈5，鈮酸鋰晶片2上制造有一對叉指電極1，叉指電極I與鈮酸鋰晶片2構(gòu)成聲表面波換能器，聲表面波換能器與信號發(fā)生器的兩個輸出通道相連，無蓋的PDMS腔體3覆蓋在鈮酸鋰晶片2的正中央，兩個叉指電極I分別位于PDMS腔體3的兩側(cè)并呈對稱分布，PDMS腔體3內(nèi)充滿有液態(tài)預(yù)聚物4，UV固化燈5置于鈮酸鋰晶片2下方，并位于PDMS腔體3正下方。
[0028]叉指電極I的材料包含兩種金屬，50nm厚度的絡(luò)在底層，150nm厚度的金在頂層，叉指電極I通過光刻與蒸鍍的方法在鈮酸鋰晶片2上形成。
[0029]液態(tài)預(yù)聚物4包括光敏材料與納米銀線，光敏材料以丙烯酸環(huán)氧樹脂為基底，以安息香雙甲醚作為光交聯(lián)劑，兩者混合而成，質(zhì)量比為97:3;納米銀線作為導(dǎo)電介質(zhì)，其直徑約為I OOnm，長度約為I Oym，納米銀線在液態(tài)預(yù)聚物中的填充量為15%。
[0030]優(yōu)選的聲表面波換能器為能激發(fā)單方向傳播聲表面波的單相單向型聲表面波換能器。
[0031 ]本實用新型的實施例及其具體實施過程如下:
[0032]首先，對懸浮有與納米銀線具有相同尺度的ABS塑料顆粒進(jìn)行了排布實驗，實驗中采用的聲表面波換能器的工作頻率為28.7MHz，對應(yīng)的波長為140μπι，在該換能器激發(fā)的聲表面波駐波場中，節(jié)線間距70μπι(波長的一半)。實驗過程中，塑料顆粒在聲表面波的聲輻射力作用下，在5s之內(nèi)產(chǎn)生了穩(wěn)定的線性排布，其排布間距約為70μπι，與理論分析較為一致。
[0033]具體實施通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出相位，實現(xiàn)了呈線性排布塑料顆粒的整體移動;并且采用具有不同工作頻率的聲表面波換能器進(jìn)行制造，獲得了排布間距不同的微米線電極。
[0034]接著，對于光敏材料與納米銀線組成的液態(tài)預(yù)聚物，如圖1形成本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)，采用以下如下過程制備電極:
[0035]1、先制備叉指電極和PDMS腔體:在鈮酸鋰(LiNO3)晶片2上旋涂一層正性光刻膠，采用預(yù)先制作的掩膜板進(jìn)行掩膜曝光，隨后洗去曝光的光刻膠，在晶片上獲得與金屬電極形狀相同的無膠區(qū)域;首先采用蒸鍍的方法在光刻后的鈮酸鋰晶片上沉積一層厚度為50nm的金屬鉻，隨后繼續(xù)沉積一層厚度為150nm的金屬金，蒸鍍結(jié)束后采用丙酮溶解掉殘余的光刻膠及多余的金屬薄膜；
[0036]再采用銑削的方式制作鋼質(zhì)模具，澆注PDMS后加熱固化，獲得PDMS腔體，并將PDMS腔體覆蓋在鈮酸鋰晶片中央?yún)^(qū)域，與聲表面波換能器的中心線呈左右對稱分布；
[0037]2、液態(tài)預(yù)聚物包含光敏材料和導(dǎo)電介質(zhì)兩部分，其中光敏材料的基底為環(huán)氧丙烯酸樹脂，光交聯(lián)劑為安息香雙甲醚，丙烯酸環(huán)氧樹脂和安息香雙甲醚的質(zhì)量比是97:3，導(dǎo)電介質(zhì)是直徑約為10nm，長度約為1ym的納米銀線，按照15 %的含量加入到光敏材料中，并進(jìn)行超聲攪拌混合處理。
[0038]3、將制造裝置放置在水平工作臺上，將聲表面波換能器與信號發(fā)生器的兩個通道相連，將PDMS腔體覆蓋在壓電晶片中部;使液態(tài)預(yù)聚物進(jìn)入并充滿PDMS腔體，如圖1所示；
[0039]4、啟動信號發(fā)生器后，壓電晶片受到高頻交變電場的作用，表面會產(chǎn)生高頻振動并形成沿與電極垂直方向傳播的聲表面波，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率，使PDMS腔體覆蓋區(qū)域產(chǎn)生穩(wěn)定的駐波場；
[0040]5、液態(tài)預(yù)聚物中的納米銀線在駐波場中受到聲輻射力的作用，向附近的聲場節(jié)線移動，從而在液體中形成線性排布;通過使用工作頻率不同的聲表面波換能器，可以獲得具有節(jié)線分布距離不同的駐波場，因而可以相應(yīng)的改變納米銀線的線性排布間距；
[0041]6、當(dāng)液態(tài)預(yù)聚物中的納米銀線排布穩(wěn)定后，采用UV固化燈對其照射，如圖2所示，使液態(tài)預(yù)聚物固化成型，獲得含有線性排布納米銀線的柔性微米線電極6，固化前的液態(tài)預(yù)聚物如圖3所示，最終得到的固化物如圖4所示。
[0042]由實施例可見，本實用新型實現(xiàn)了柔性微米線電極的快速制造，操作簡便、能耗低，適用范圍廣。
【主權(quán)項】
1.一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置，其特征在于:包括鈮酸鋰晶片(2)、叉指電極(1)、PDMS腔體(3)和UV固化燈(5)，在鈮酸鋰晶片(2)上形成有一對平行的叉指電極(I)，叉指電極(I)與鈮酸鋰晶片(2)構(gòu)成聲表面波換能器，聲表面波換能器與信號發(fā)生器的兩個輸出通道相連，無蓋的PDMS腔體(3)覆蓋在鈮酸鋰晶片(2)的正中央，兩個叉指電極(I)分別位于PDMS腔體(3)的兩側(cè)并呈對稱分布，PDMS腔體(3)內(nèi)充滿有液態(tài)預(yù)聚物(4)，UV固化燈(5)置于PDMS腔體(3)正下方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置，其特征在于:所述的叉指電極(I)包括位于上層的金和位于下層的鉻，叉指電極(I)通過光刻與蒸鍍的方法在鈮酸鋰晶片(2)上形成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲表面波的柔性微米線電極的制造裝置，其特征在于:所述的聲表面波換能器為均勻等周期叉指換能器、能激發(fā)單方向傳播聲表面波的單相單向型聲表面波換能器或者具有多共振頻率的叉指換能器。
【文檔編號】H01L31/0224GK205488177SQ201620026763
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】薛岱, 汪延成, 梅德慶, 陳子辰
【申請人】浙江大學(xué)