[發明專利]一種碳微電極陣列結構的制備方法

有效

• 申請號: 201210186834.7
• 申請日: 2012-06-08
• 公開（公告）號: CN102730628A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 湯自榮;史鐵林;徐亮亮;龍胡;習爽;劉丹;夏奇;廖廣蘭
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于碳微機電技術領域，具體涉及一種表面集成微納金屬褶皺的碳微電極陣列結構的制備方法，所制備的陣列結構可作為微電極，應用于微型電池、生物芯片和微型電化學傳感器等微機電領域中。

背景技術

碳微機電系統（C-MEMS）技術是一種厚膠光刻結合高溫熱解（通常1000度左右）的制造技術，該技術基于高粘性的光刻膠（如SU-8膠）和常規光刻工藝生成三維交聯微結構，然后在熱解爐中和惰性氣氛條件下，通過升溫控制交聯結構熱解轉換成玻璃碳結構。該技術具有大批量、工藝簡單和可制造多種多樣的三維碳微電極陣列結構的特點。生成的碳結構具有優良的機械、導電、導熱和電化學特性，并有碳材料獨特的生物兼容性，在新型微電池和傳感器開發，尤其在生物器件領域具有獨特的應用前景。

薄膜在壓縮應力作用下發生曲屈生成褶皺是一種常見力學現象。以往，曲屈現象通常被認為是影響結構穩定性、導致結構失效的不利因素，需要設法避免。因此，早期的研究主要關注的是薄膜褶皺的生成現象和機理。1998年，美國哈佛大學的Bowden等人在“Spontaneous?formation?of?ordered?structures?in?thin?films?of?metals?supported?on?an?elastomeric?polymer”一文（Nature,1998,393:146-149）報道了平坦表面上薄膜褶皺的研究成果,展示了在平坦表面上由熱脹冷縮產生的各向同性的應力所生成的褶皺具有無序的紋理。他們率先提出利用此現象可制造表面微結構，還提出通過制作微結構來調控平坦表面上的褶皺紋理。近年來，大量研究證實了覆蓋在彈性基底表面的剛性薄膜在壓縮應力作用下可以自發形成具有多樣紋理的褶皺。隨著薄膜褶皺的應用價值不斷被認識和微納制造技術的發展，各種微納米加工方法的不斷涌現為微納米褶皺膜的加工提供了手段，人們開始把目光轉向薄膜褶皺的加工上，并開始利用薄膜生成褶皺這一力學現象來制造表面微納結構。

在生成薄膜褶皺結構方面,Lin等在“Spontaneous?formation?of?one-dimensional?ripples?in?transit?to?highly?ordered?two-dimensional?herringbone?structures?through?sequential?and?unequal?biaxial?mechanical?stretching”一文（Applied?Physics?Letter,2007,90:241903）報道了在PDMS表面制作薄膜褶皺的方法。通過不同方式對應力進行釋放，可生成高度有序的人字形褶皺或無序的褶皺。相比于熱脹-冷縮方法，Lin等提出的拉伸-回縮方法可以產生較大的預應變，并根據預應變的不同可以生成波長為250納米至10微米的褶皺。此方法還可以控制應力釋放過程，從而對褶皺紋理進行調控。

美國哈佛大學的Moon和韓國首爾國立大學的Hutchinson等人在“Wrinkled?hard?skins?on?polymers?created?by?focused?ion?beam”一文（PNAS,2007,104(4):1130–1133）中提出，將PDMS暴露在聚焦離子束中，聚焦粒子束輻射改變了PDMS表面的化學組成，使得其靠近粒子束的表面生成一層剛性薄膜，該薄膜與彈性基底之間應力發生變化，從而導致薄膜褶皺的產生。通過控制聚焦離子束的頻率及暴露在其中的PDMS的面積，可實現褶皺波長在微米到亞微米范圍內變化，而褶皺紋理也從簡單的一維結構到復雜分層嵌套結構各不相同。

種種研究表明，通過將薄膜曲屈現象和傳統的微納加工技術結合，可以制作出復雜的微納結構。但這些褶皺結構的生成大多局限于聚合物結構，還不具備成為電極結構用于器件開發的條件。

在薄膜褶皺的制備工藝方面，Xie等人在“Encoding?localized?strain?history?through?wrinkle?based?structural?colors”一文（Advanced?Material,2010,22:4390-4394）提出采用形狀記憶聚合物制作基底，將其加熱至轉變溫度后，利用壓印技術在基底表面制作微結構，然后降溫并沉積金屬薄膜，最后將其升溫至轉變溫度，此時微結構側壁上的金屬薄膜將發生曲屈生成褶皺，但是此方法無法在整個表面生成褶皺。也有人提出了許多其他不同的制造工藝，但是這些薄膜褶皺生成的工藝研究均在平坦表面進行，沒有考慮在已有微技術加工的基礎上制備納米褶皺結構，實現微納集成結構的制造。