通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺

摘要

本申请提出一种通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺，将现有的金属薄膜通过光刻的方式制备出微米尺度电极阵列，经PDMS封装后可保持器件较好的弹性和生物相容性的同时，保留金属电极的高导电性和韧性。该工艺制备的PDMS柔性器件可用于生物植入设备，如神经刺激器、心脏起搏器、人工耳蜗等。

说明书

技术领域

本申请涉及电极加工技术领域，尤其涉及一种通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺。

背景技术

在煤矿等工作环境中，空间狭窄，工人活动幅度大，柔性穿戴传感器需要有更好强度。对于电极材料则需要具备较高的弯折性能和韧性。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于良好的弹性和拉伸性能为柔性传感器提供了合适的基材。而金属电极则具有足够的强度和优良的导电性。

然而，通过常规的制备微电极的方法如物理化学沉积方式难以保证电极的强度、延展性和足够的厚度，在PDMS弯折过程中，电极会发生断裂导致器件的损坏。金属与PDMS之间的结合力也较差。

现有在PDMS上制备金属电极的方式有以下几类：

1)物理化学沉积：直接在PDMS基底上透过物理掩膜版，通过物理、化学沉积的方式制备电极形状。

2)将金属颗粒混入PDMS中制备柔性电极：将金属颗粒或纤维和PDMS混合形成柔性的导电材料。

3)金属颗粒或纤维与特定溶剂混合，然后注入PDMS的微通道形成电极。

现有技术有以下缺点：

1)物理化学沉积：

物理化学沉积方式对基底和金属离子之间的亲和性要求较高，通常需要对PDMS表面化学或物理改性。改性后PDMS与金属的结合力也难以维持满足随意弯曲而不脱落的程度。物理化学沉积的电极通常致密性和延展性均相对较差，且制备时间过长，1μm以上电极通常需要几个小时，成品在弯曲过程中非常容易发生断裂。

2)将金属颗粒混入PDMS中制备柔性电极：

将金属纳米颗粒和PDMS混合后与PDMS基底固化可实现较好的连接性和韧性，但金属颗粒与PDMS的混合会显著降低电极的导电性。类似的方式还有将金属纳米线与PDMS混合，存在同样的问题。

3)同样存在导电性差的问题。同时在注入电极的通道设计上有较大限制，只能制备简单的电极形状。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺，将现有的金属箔通过光刻的方式制备出微米尺度电极阵列，经PDMS封装后可保持器件较好的弹性和生物相容性的同时，保留金属电极的高导电性和韧性。

为达上述目的，本申请实施例提出了一种通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺，包括以下步骤：

步骤A，将金属箔放置于旋涂平台上并固定位置，在金属箔上旋涂一层PDMS薄膜；

步骤B，加热直到PDMS固化后，将金属箔翻面并固定于旋涂平台上，在金属箔上旋涂一层光刻胶；

步骤C，将金属箔放在光刻机上光刻出设计好的电极图案，并用配套的显影液对光刻胶进行显影，暴露出需要腐蚀的电极；

步骤D，利用刻蚀剂对金属箔进行湿法刻蚀，形成所需的电极形状；

步骤E，利用配套的光刻胶除胶剂去除光刻胶；

步骤F，在电极表面旋涂一层PDMS薄膜，固化后形成封装的器件。

在一些实施例中，所述步骤B中，加热时采用加热盘，将金属箔放在加热盘上进行加热。

在一些实施例中，所述步骤B中，加热温度为40～120℃。

在一些实施例中，所述金属箔为铜箔。利用现成的铜箔作为电极材料，保证了电极的弯折性能和韧性。

在一些实施例中，所述铜箔厚度为10～50um。

在一些实施例中，所述步骤B中，所旋涂的光刻胶的厚度为5μm。

在一些实施例中，所述光刻胶选用有配套的除胶剂的正胶。

在一些实施例中，所述正胶选用AZ系列的正胶。

在一些实施例中，刻蚀剂采用铜刻蚀剂，铜刻蚀剂的配方为如下质量份数的物质：氯化铜5％，浓盐酸10％，双氧水25％，水60％。

在一些实施例中，采用制备PCB工艺中的感光油膜和普通365nm紫外灯代替光刻胶和光刻机。

本申请实施例的方法，可制备任意二维形状的电极，尺寸精度高，最小线宽可小于10μm。制备工艺简单可靠，对手工技术依赖少，易形成标准的制备工艺。电极强度和弯曲寿命好，适用于PDMS基底中不同金属材料电极的制备。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，

图1-7为本申请实施例中制备工艺的工艺流程图；

其中：

图1为本申请实施例所提供的铜箔的示意图；

图2为步骤A中铜箔上旋涂PDMS的示意图；

图3为步骤B中旋涂光刻胶的示意图；

图4为步骤C中曝光显影露出需要腐蚀的位置的示意图；

图5为步骤D中湿法刻蚀铜箔的示意图；

图6为步骤E中去除光刻胶的示意图；

图7为步骤F中在电极表面上旋涂PDMS的示意图；

附图标记：

1-铜箔；2-PDMS薄膜；3-光刻胶。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图1-7描述本申请实施例的通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺。

本申请实施例提出了一种通用的PDMS柔性传感器高精度金属微电极制备工艺，包括以下步骤：

步骤A，取适当尺寸的厚度为10～50um铜箔1放置于旋涂平台上并固定其位置，在铜箔1上滴加PDMS预聚物，控制转速ω和时间t旋涂特定厚度的PDMS薄膜2。一般情况下，相同的旋涂时间，形成薄膜厚度h与转速呈指数关系。

步骤B，在温度为40～120℃的加热盘上加热直到PDMS固化后，将铜箔1翻面并固定于旋涂平台上，控制转速和时间旋涂5μm厚度的光刻胶3；

步骤C，将铜箔1放在光刻机上光刻出设计好的电极图案，并用配套的显影液对光刻胶3进行显影，暴露出需要腐蚀的电极；

步骤D，利用铜刻蚀剂对铜箔1进行湿法刻蚀，形成所需的电极形状；

步骤E，利用配套的光刻胶除胶剂去除光刻胶3；

步骤F，在电极表面旋涂一定厚度的PDMS薄膜2，固化后形成封装的器件。

在一些实施例中，电极材料不止局限于铜箔1，只要市面上常见的金属箔均可以采用该工艺，针对不同的金属材料在湿法刻蚀过程中要选择配套的刻蚀剂。

在一些实施例中，所述光刻胶3选用有配套的除胶剂的正胶，如AZ4620。

在一些实施例中，所述正胶选用AZ系列的正胶。光刻胶3不只局限于AZ系列的正胶，其他品牌的正性光刻胶均可，需保证有配套的除胶剂用于光刻胶3的去除。

在一些实施例中，铜刻蚀剂的配方为如下质量份数的物质：氯化铜5％，浓盐酸10％，双氧水25％，水60％。

在一些实施例中，采用制备PCB工艺中的感光油膜和普通365nm紫外灯代替光刻胶和光刻机。可显著降低工艺成本，伴随着精度上的降低，但仍然能够制备最小线宽50μm的电极，电极形状同样不受限制。

利用本实施例的工艺可实现任意二维图形的电极形状制备，最小线宽可达到10μm以下。利用该工艺能够在PDMS基底内制备高强度的金属电极，并与PDMS形成稳定的结合。该工艺制备的PDMS柔性器件可用于生物植入设备，如神经刺激器、心脏起搏器、人工耳蜗等。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。