基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法及柔性应变传感器与流程

1.本发明涉及柔性电子器件技术领域，尤其涉及基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法及柔性应变传感器。


背景技术：

2.电子器件的柔性化成为了电子器件的重要发展方向，特别是人体运动检测等方面对电子器件的柔性化程度要求较高。然而，现有的电子器件柔韧性较差，已经很难适应下一代传感器在柔性方面的需求。
3.因此，现有技术还有待改进和发展。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法及柔性应变传感器，旨在解决现有技术中电子器件柔韧性差的问题。
5.本发明的技术方案如下：
6.本发明的第一方面，提供了一种基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，其中，所述基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法包括：
7.根据预设图案在柔性基底上采用飞秒激光进行烧蚀使得未被烧蚀的区域形成所述预设图案；
8.在烧蚀后的所述柔性基底上滴加液态金属；
9.去除所述柔性基底上未附着的液态金属，得到所述预设图案对应的电子器件。
10.所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，其中，所述柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷。
11.所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，其中，所述液态金属液态镓基金属。
12.所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，其中，所述在烧蚀后的所述柔性基底上滴加液态金属之后，还包括：
13.刷所述柔性基底的表面，使得液态金属在所述柔性基底上分散。
14.所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，其中，在所述柔性基底上进行飞秒激光烧蚀时，激光脉冲烧蚀点的平均距离在8微米以下。
15.本发明的第二方面，提供了一种柔性电子器件，其中，所述柔性电子器件采用如本发明第一方面提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法制成。
16.本发明的第三方面，提供了一种柔性应变传感器，其中，所述柔性应变传感器中包括第一电阻，所述第一电阻为本发明第二方面提供的柔性电子器件，所述第一电阻用于在受到应力作用时产生电阻值改变。
17.所述的柔性应变传感器，其中，所述柔性应变传感器还包括第二电阻组合，所述第
二电阻组合与所述第一电子组成惠斯通电桥。
18.所述的柔性应变传感器，其中，所述第二电阻组合中包括三个第二电阻，所述第二电阻为本发明第二方面提供的柔性电子器件；所述柔性应变传感器还包括应力隔离层，所述第一电阻和所述第二电阻组合分别设置在所述应力隔离层的两侧。
19.本发明的技术效果：本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法中，利用飞秒激光加工柔性材料，在加工柔性材料上进行烧蚀，使得柔性材料上未烧蚀的区域形成预设图案，再在烧蚀后的柔性基底上滴加液态金属，柔性材料在被激光烧蚀后，表面的微观结构变得粗糙，对液态金属产生排斥性，在滴加液态金属后，被烧蚀的区域上的液态金属不能附着，可以轻易地去除，这样就实现了在柔性基底上使用液态金属形成特定的预设图案，从而得到柔韧程度高的电子器件的效果。
附图说明
20.图1是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例的流程图；
21.图2是飞秒激光加工系统示意图；
22.图3是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中未被激光烧蚀的柔性基底表面接触液态金属的示意图；
23.图4是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中被激光烧蚀后的柔性基底表面接触液态金属的示意图；
24.图5是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中未被激光烧蚀的柔性基底表面和被激光烧蚀后的柔性基底对液态金属的粘附性示意图；
25.图6是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中对柔性基底表面进行烧蚀的示意图；
26.图7是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中在柔性基底表面烧蚀出预设图案的过程示意图；
27.图8是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中向烧蚀后的柔性基底滴加液态金属的示意图；
28.图9是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中去除未附着在柔性基底上的液态金属后的效果示意图；
29.图10是本发明提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实施例中制成的电子器件的示意图；
30.图11是本发明提供的柔性传感器的实施例的结构示意图；
31.图12是本发明提供的柔性传感器的实施例的剖面图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.实施例一
34.请参阅图1，图1是本发明提供的一种基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的实
施例的流程图。
35.如图1所示，本实施例提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，包括步骤：
36.s100、根据预设图案在柔性基底上采用飞秒激光进行烧蚀使得未被烧蚀的区域形成所述预设图案。
37.传统的电子器件大多数以半导体刚性材料为主，柔韧性差，为了制备得到柔韧性高的柔性电子器件，在本实施例中，采用在柔性基底上使用液态金属形成电子器件对应的图案来制备电子器件，例如电阻、导线等。柔性基底可实现拉伸弯曲，液态金属也可以实现拉伸弯曲，通过本实施例提供的方法制备的柔性电子器件，具有很高的柔韧性。具体地，液态金属壳依靠自身氧化膜黏附于柔性基底上并保持通路，但是，同时也由于液态金属的氧化物外壳与基底间具有超高的附着力，会牢固地粘在基底上，粘附的液态金属难以去除，残留的金属残渣使得在基底上附着的液态金属形成的图案与预定的图案不同，强烈影响了电子器件制备的精度。为了解决这一问题，在本实施例中，采用飞秒激光对柔性基底进行加工。
38.飞秒激光加工(飞秒激光直接书写，fldw)能够在固体上制备各种图案，使材料的微观结构发生改变，修改表面粗糙度。此技术现较多地运用于加工金属上，而发明人发现，采用飞秒激光加工电子器件的柔性基底，可以使得基底与液态金属之间产生排斥性，利用该发现，在本实施例提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，根据预设图案在柔性基底上采用飞秒激光进行烧蚀，使得未被烧蚀的区域形成预设图案，所述预设图案为要制备的电子器件的导电通路图案。如图3和图4所示，液态金属依靠自身的氧化物外壳可以牢固地黏附在未被烧蚀的区域，而被烧蚀的区域的表面微观结构产生变化，液态金属的氧化物外壳使液态金属与被烧蚀的所述柔性基底的表面微结构接触处于间隔状态，液态金属被滴加到加工后的所述柔性基底表面上时，液态金属可以黏附在未被烧蚀的区域，被烧蚀的区域不会黏附液态金属，可以轻易地去除，最终使得留在所述柔性基底表面的液态金属可以精确地形成所述预设图案，得到要制备的柔性电子器件。
39.具体地，在本实施例中，所述柔性基底的材料采用聚二甲基硅氧烷(pdms)，该材料具有很好的柔韧性，当然，可以理解，也可以采用其他的材料制作所述柔性基底，例如硅、铜、钛等。液态金属采用液态镓基金属，可以是镓铟合金金属，室温液态的镓和镓基金属除了具有高导电性外，还具有延展性强、柔韧性好、无毒等优点。
40.为了验证本实施例提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法的有效性，进行实验，实验采用的飞秒激光加工系统如图2所示，pdms样品固定在由程序控制的平台上，激光束通过物镜聚焦到所述pdms样品上，柔性基底被激光烧蚀。可选地，激光烧蚀的功率为20mw，扫描速度为8mm/s，在实验验证过程中，扫描时使用电子显微镜观察pdms样品的表面，可以观察到被烧蚀的pdms样品的表面存在许多亚微粒/纳米粒子，粗糙度发生变化。对pdms样品进行激光烧蚀后，通过注射器针头控制的液态金属被移动到接触，然后离开未被烧蚀和烧蚀的pdms样品的表面来比较未被烧蚀和烧蚀后的pdms样品的表面对液态金属的黏附性。如图5所示，pdms样品的表面经过激光加工后，液态金属液滴被表面微米/纳米结构排斥，实验结果表明，激光处理后的pdms表面表现出优异的排斥性和超低的粘附性。
41.在实际应用中，为了保证制成的柔性电子器件的性能，柔性基底被烧蚀后的表面的机械和化学耐久性(如抗磨损、可弯曲和防腐)十分重要，为了验证本实施例提供的基于
飞秒激光的柔性电子器件制备方法中，在柔性基底上采用飞秒激光进行烧蚀后得到的表面对液态金属的排斥性的机械和化学耐久性，采用多种实验进行验证。具体地，可以通过接触角系统来测量液态金属的滑动角与接触角来衡量排斥性，一般来说，当滑动角度sa小于10
°
和接触角ca大于150
°
称为对液态金属的排斥。在弯曲实验中，在100次弯曲循环后，被烧蚀的柔性基底样品表面金属液滴的滑动角和接触角几乎没有明显的变化。在磨损实验中，通过砂纸摩擦被烧蚀的柔性基底样品表面，随着磨损时间的增加，被烧蚀的柔性基底样品表面液态金属液滴的接触角总是大于150
°
，滑动角保持在10
°
以下。在防腐实验中，将被烧蚀的柔性基底样品在hcl、naoh、nacl和葡萄糖溶液中浸泡4小时后，仍保持了很大的液态金属排斥性。实验结果表明，激光烧蚀的柔性基底的表面对金属的排斥能力具有很强的机械和化学稳定性。
42.激光脉冲烧蚀点的平均距离(ad)对激光烧蚀的所述柔性基底表面形貌有很大的影响，处理后得到的表面的微结构和纳米结构的数量随着平均距离的增加而减少。经过实验证明，随着平均距离从2微米增加到15微米，微结构中尖峰的距离从0.445微米减少到0.12微米。当平均距离在8微米以下时，可以获得具有超低金属附着力的液态金属阻挡表面，可以满足柔性电子器件制备的精度要求。因此，在本实施例中在所述柔性基底上进行飞秒激光烧蚀时，激光脉冲烧蚀点的平均距离在8微米以下。
43.如图6和图7所示，所述柔性基底的部分表面被飞秒激光烧蚀后，未被烧蚀的区域可以形成所述预设图案。请再次参阅图1，本实施例提供的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，还包括步骤：
44.s200、在烧蚀后的所述柔性基底上滴加液态金属。
45.在进行激光烧蚀，在所述柔性基底上形成所述预设图案后，在烧蚀后的所述柔性基底上滴加液态金属，如图8所示，为了保证液态金属黏附在未被烧蚀的区域，在一种可能的实现方式中，在滴加液态金属后，还刷所述柔性基底的整个表面，使液态金属在所述柔性基底上分散。在烧蚀后的所述柔性基底上滴加液态金属后，液态金属的氧化物壳只润湿了为烧蚀的平坦区域，液态金属的氧化物壳中的液态金属只能接触激光烧蚀区微/纳米结构的峰，显著减少了氧化物壳与粗糙结构之间的真实接触面积，可以实现轻易地除去。
46.s300、去除所述柔性基底上未附着的液态金属，得到所述预设图案对应的电子器件。
47.具体地，可以采用空气吹除的方式去除所述柔性基底上未附着的液态金属，如图9所示，去除所述柔性基底上未附着的液态金属后，所述柔性基底上只有未被烧蚀的区域上黏附了液态金属，最终液态金属在所述柔性基底上形成了预设图案，如图10所示。值得说明的是，制成的柔性电子器件上的液态金属形成的图案可以是立体的，即液态金属在所述柔性基底上形成的所述预设图案，是具有横截面的形状图案。
48.通过上述说明不难看出，通过改变所述预设图案，可以成功地执着复杂的电路图案，实现各种柔性电子器件的制备。
49.综上所述，本发明提供的一种基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，利用飞秒激光加工柔性材料，在加工柔性材料上进行烧蚀，使得柔性材料上未烧蚀的区域形成预设图案，再在烧蚀后的柔性基底上滴加液态金属，柔性材料在被激光烧蚀后，表面的微观结构变得粗糙，对液态金属产生排斥性，在滴加液态金属后，被烧蚀的区域上的液态金属不能附
着，可以轻易地去除，这样就实现了在柔性基底上使用液态金属形成特定的预设图案，从而得到柔韧程度高的电子器件的效果。
50.实施例二
51.基于实施例一中所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，本发明还提供了一种柔性电子器件，所述柔性电子器件采用如实施例一中所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法制成。
52.实施例三
53.基于实施例一种所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备方法，本发明还提供了一种柔性应变传感器，所述柔性应变传感器的立体图如图11所示，所述柔性应变传感器中包括第一电阻r
sens
，所述第一电阻为采用实施例一种所述的柔性电子器件制备方法制成的柔性电子器件，具体地，可以采用液态金属在柔性基底上形成具有一定横截面面积和长度的形状来制得所述第一电阻。在本实施例中，所述第一电阻是以pdms为基底的液态镓基金属制成的。金属形成的电阻的计算公式为：r为电阻值，ρ为密度，l为长度，s为横截面积，在一种可能的实现方式中，当所述第一电阻中的液态镓基金属在未产生拉伸时形成长度为70mm，横截面为50μm*600nm的形状，所述第一电阻在未产生拉伸时的初始电阻值约为0.6
±
0.07kω，当然，可以理解，所述第一电阻的形状和初始电阻值并不限定于以上的数字，本领域技术人员可以根据应变传感器的实际应用场景来进行适应性调整。
54.所述第一电阻用于在受到应力作用时产生电阻值改变，具体地，所述第一电阻的柔性基底直接接触被测物，随着被测物的弯曲伸长而伸长，所述第一电阻中的液态金属也会对着基底被拉长从而使它的电阻发生改变。在伸长量小于等于30％时伸长量和电阻变化量符合线性变化，测量到的电阻变化量和初始电阻量符合以下公式：
[0055][0056]
其中，r为所述第一电阻的初始电阻值，δr为所述第一电阻受到应力后的电阻变化量，ε为受到的应力，v为第一电阻的材料(即液态金属)的泊松比，x0＝l
x
/(l
x
ly)，γ0＝ly/(l
x
ly)，l
x
为所述第一电阻的液态金属材料在平行方向产长度，ly为所述第一电阻的液态金属材料在垂直方向的长度。
[0057]
在本实施例中，采用惠斯通电桥的方式来准确测得所述第一电阻的电阻值，具体地，所述柔性应变传感器还包括第二电阻组合和连接导线，所述第二电阻组合通过所述连接导线与所述第一电子组成惠斯通电桥。所述第二电阻组合中包括三个第二电阻，分别为r1、r2、r3，每个所述第二电阻的电阻值为定值，得到惠斯通电桥电路的输入电压v
in
、输出电压v
out
和第二电阻r1、r2、r3、第一电阻r
sens
之间的关系如下公式：
[0058][0059]
因此，通过所述所述第二电阻的电阻值以及所述惠斯通电桥电路的输入和输出电压，就可以得到所述第一电阻的电阻值，进而根据所述第一电阻的电阻值的变化值计算得到收到的应力，实现应变传感器的作用。实验表明本实施例提供的应变传感器的输出电压
和输入电压的比值只与所述第一电阻和所述第二电阻的电阻值有关，当所述第一电阻弯曲和水平拉伸时产生的电压变化情况相同，本实施例提供的应变传感器可以完全替代由刚性电路组成的传感器。
[0060]
在一种可能的实现方式中，连接所述第二电阻组合和所述第一电阻的导线为采用如实施例一所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备得到的软导线，所述第二电阻也是采用如实施例一所述的基于飞秒激光的柔性电子器件制备得到的，具体地，如图11所示，每个所述第二电阻可以是在柔性基底上采用一定横截面面积的液态金属盘旋折叠若干次形成。为了消除所述第一电阻的拉伸或弯曲影响所述第二电阻的参数从而影响输出的结果，在本实施例中，如图12所示，在所述第一电阻100和所述第二电阻组合200之间加入了应力隔离层300，所述第一电阻100和所述第二电阻200之间通过导线400连接。所述应力隔离层300的材料可以为ecoflex材料，可以防止所述第一电阻受到的应力传递至所述第二电阻组合影响应变传感器的精度。
[0061]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。