[發(fā)明專利]以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件及制備方法

有效

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• 申請日: 2019-11-25
• 公開（公告）號: CN110970232B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝莊;方綠葉;蔡澤帆;丁正卿;張家誠
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: H01G11/84
• 分類號: H01G11/84;H01G11/86;H01G11/56;H01G11/38;G01L1/18;G01L1/20;G01K7/16
• 代理公司: 廣州藍(lán)晟專利代理事務(wù)所(普通合伙) 44452
• 代理人: 陳梓赫;歐陽凱

本發(fā)明提出一種以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件及其制備方法，包括：步驟一，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的中介產(chǎn)品；步驟二，將韌性水凝膠預(yù)拉伸，并將預(yù)拉伸的水凝膠與步驟一中的中介產(chǎn)品貼合，實(shí)現(xiàn)電極圖案轉(zhuǎn)移至水凝膠表面；步驟三，緩慢釋放水凝膠，使其恢復(fù)至未拉伸狀態(tài)，得到以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件。本發(fā)明將通過結(jié)合3D打印、模板印刷技術(shù)與轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)等，以柔性聚四氟乙烯(PTFE)濾膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡膠或玻璃等為中介材料，配合特制的電極漿料，在以瓊脂/聚丙烯酰胺(Agar/PAM)等為代表的韌性水凝膠電解質(zhì)表面，能夠快速、便捷地印刷得到可拉伸微型器件。所制備的微型器件包括微傳感器與微超級電容器等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可拉伸微型電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件及制備方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著電子器件愈加微型化與新材料的開發(fā)，輕柔貼身形態(tài)多變的柔性電子器件，已逐漸成為研究與應(yīng)用熱點(diǎn)，在可穿戴電子、柔性觸摸屏、貼身醫(yī)療監(jiān)護(hù)、仿生機(jī)器人等領(lǐng)域凸顯出巨大的應(yīng)用潛力。為開發(fā)可緊貼于人體表面的柔性可穿戴器件，需要讓電子器件能承受較大的拉伸應(yīng)變(100％)。這類可拉伸電子器件通常利用兩種策略來實(shí)現(xiàn)，一是開發(fā)新型可拉伸電子材料，二是設(shè)計(jì)可承受拉伸應(yīng)力的材料與器件結(jié)構(gòu)，或者通過結(jié)合多種策略來提高拉伸性能。

作為一種離子導(dǎo)電高分子材料，水凝膠電解質(zhì)因兼具良好的機(jī)械柔性與電學(xué)功能，在柔性電子器件與電子皮膚等領(lǐng)域得到了廣泛的探索，成為目前可拉伸電子備受矚目的新興材料。然而傳統(tǒng)水凝膠材料由于力學(xué)強(qiáng)度與柔韌性不足，與非親水材料之間黏附力較弱等特點(diǎn)，使直接在水凝膠表面形成電極的制造技術(shù)難以實(shí)施，往往額外需要柔性基底作為支撐或者保護(hù)層，增加體系復(fù)雜性與凝膠-電極-基底等界面的不穩(wěn)定性。另外，傳統(tǒng)微電子所用光刻蝕等技術(shù)難以應(yīng)用于柔性材料的加工，電極微型化、圖案化的處理也變得困難，容易給水凝膠帶來一定程度上的破壞，難以實(shí)現(xiàn)可拉伸器件，這將極大限制基于水凝膠體系的柔性器件的應(yīng)用。近年來開發(fā)的韌性雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠在力學(xué)強(qiáng)度與可拉伸性等性能上得到了顯著提升。而一些新興的低成本、耗時(shí)短、批量化印刷電極成型技術(shù)，例如噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和3D打印等在柔性電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。由此，研究在韌性水凝膠表面可靠制備可拉伸微型電極與器件的方法，實(shí)現(xiàn)無需額外基底材料的功能水凝膠可拉伸器件，具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的問題是直接以水凝膠為基底構(gòu)建可拉伸圖案化微型電極，提供一系列方便、可靠且具有一定精度的技術(shù)方法，以制備無需額外基底的可拉伸水凝膠微電子器件。

本發(fā)明一種以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件的制備方法，包括：

步驟一，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的中介產(chǎn)品；

步驟二，將韌性水凝膠預(yù)拉伸，并將預(yù)拉伸的水凝膠與步驟一中的中介產(chǎn)品貼合，實(shí)現(xiàn)電極圖案轉(zhuǎn)移至水凝膠表面；

步驟三，緩慢釋放水凝膠，使其恢復(fù)至未拉伸狀態(tài)，得到以水凝膠為基底的可拉伸微型電子器件。

優(yōu)選的，在步驟一中，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的中介產(chǎn)品包括：制作具有設(shè)定圖案的不銹鋼掩模板，將掩模板緊貼于PTFE濾紙，將乙醇溶液噴涂在PTFE濾紙上，快速去除掩模板，在80℃下烘干，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的PTFE濾紙。

優(yōu)選的，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的中介產(chǎn)品包括：制作具有設(shè)定圖案的3D打印模板，將3D打印模板放置在PDMS預(yù)聚物粘稠液體表面，在80℃下使PDMS固化，將電極漿料均勻涂敷在PDMS表面，剝離3D打印模板，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的PDMS。

優(yōu)選的，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的中介產(chǎn)品包括：制作具有設(shè)定圖案的不銹鋼掩模板，將掩模板緊貼緊于玻璃片表面，將電極漿料均勻涂敷在掩模板上，去除掩模板，獲取具有預(yù)設(shè)電極圖案的玻璃片。