本研究報告了一種制備液態(tài)金屬圖案化薄膜的方法。通過使用這種方法，可以成功地將非常復(fù)雜的液態(tài)金屬電極集成到厚度低至119毫米的薄PDMS薄膜中。采用軟光刻技術(shù)實現(xiàn)了微電極通道的高分辨率。相對較薄的電極結(jié)構(gòu)是在我們之前報道的可逆PC膜鍵合技術(shù)的幫助下發(fā)展起來的。本工作采用飛秒激光打孔，在通道末端鉆出小孔，使液態(tài)金屬填充過程中空氣逸出，實現(xiàn)了盲端液態(tài)金屬電極結(jié)構(gòu)。本文介紹了微電極的制備工藝及關(guān)鍵工序。

此外，利用所制備的微電極設(shè)計了可穿戴應(yīng)變傳感器，以顯示其在柔性電子器件中的應(yīng)用潛力。

圖1制備的微電極及其性能。(a)薄的液態(tài)金屬基柔性微電極;(b)微電極的側(cè)視圖和靈活性(左和中)以及與A4紙的厚度比較(右);(c)在顯微鏡下測量厚度;(d)將柔性微電極折疊兩次;(e)微電極的拉伸性。

圖2。微電極的制作過程及結(jié)果。(a)微電極制造工藝示意圖;(b)制備的微電極的照片;(c)制造過程中激光打孔工藝示意圖;(d)微通道內(nèi)激光鉆孔。

圖3 PDMS膜上不同激光打孔次數(shù)的實驗結(jié)果及分析。(a)在顯微鏡下激光打孔的圖案照片;(b)抽取孔和編號孔;(c)不同鉆孔次數(shù)和膜厚度下激光鉆孔尺寸的統(tǒng)計結(jié)果;圖中圖例表示不同PDMS膜厚度，單位為mm;(d)顯微鏡下長時間鉆孔的側(cè)視圖。(a)、(b)和(d)中的比例尺代表5毫米。

圖4。激光打孔位置實驗過程及結(jié)果。(a)激光打孔位置編號示意圖;(b)2號位置(上圖)和10號位置(下圖)兩個不同鉆孔位置的液態(tài)金屬填充結(jié)果;(c)不同通道寬度下鉆孔位置和液態(tài)金屬充填結(jié)果統(tǒng)計結(jié)果;誤差條表示每個點的標(biāo)準(zhǔn)誤差;圖圖例表示不同通道寬度，單位為mm。

圖5:一些復(fù)雜微電極的照片。紅點表示激光打孔在每個子圖中的位置。(a)圓形天線;(b)具有四通道末端的車輪設(shè)計及其詳細光學(xué)圖像;(c)細而小的八通道端結(jié)構(gòu)設(shè)計;(d)多分岔設(shè)計及其詳細光學(xué)圖像;(e)大面積設(shè)計及其詳細光學(xué)圖像;(f)多分支、多終端的復(fù)雜渠道設(shè)計;(g)多支細雪狀設(shè)計。紅色標(biāo)尺代表5mm，綠色標(biāo)尺代表500mm。

圖6。液態(tài)金屬基柔性微電極作為可穿戴應(yīng)變傳感器的應(yīng)用。(a)形狀傳感器的照片;(b)不同手指位置的測量電容。

在目前的工作中，提出了一種制造高分辨率、薄(119毫米)和盲端液態(tài)金屬微電極的方法。微電極是通過向薄PDMS通道中注入室溫液態(tài)金屬制備的。用于塑造液態(tài)金屬的通道的高分辨率是通過光刻實現(xiàn)的。該薄電極結(jié)構(gòu)是在本實驗室開發(fā)的可逆PC膜鍵合工藝的輔助下開發(fā)的。盡管已經(jīng)報道了幾種制造盲端液態(tài)金屬電極的方法，但整個通道的制造工藝和厚度都是有限的。在這方面，目前的工作涉及使用激光燒蝕技術(shù)在PDMS膜上制造小孔，使制造盲端液態(tài)金屬電極成為可能。所制造的薄液態(tài)金屬電極顯示出高度柔韌性，甚至可以承受數(shù)次折疊。此外，它具有很高的應(yīng)變承受能力，因此，它在開發(fā)可穿戴傳感器和柔性電子產(chǎn)品方面的潛力在目前的工作中得到了說明。

柔性微電極長期以來一直是研究的熱點，其中液態(tài)金屬是一種常見的電極材料。為了塑造液態(tài)金屬，許多研究人員將液態(tài)金屬與其他顆粒材料混合，或簡單地將液態(tài)金屬作為納米顆粒，利用超聲波將其分散開來，以形成墨水。用不同的方法打印、轉(zhuǎn)移或書寫所需要的墨水以形成電極。盡管這些電極中的一些顯示出高靈活性，但這種制造工藝存在打印分辨率或制造復(fù)雜性。十多年來，微通道一直是開發(fā)液態(tài)金屬微電極的良好選擇。然而，制造非常薄的微通道結(jié)構(gòu)是非常困難的，因此，這種類型電極的靈活性是有限的。在目前的工作中，這些限制被糾正，并可以制造結(jié)構(gòu)薄，分辨率高，以及簡單和低成本的制造工藝的液態(tài)金屬微電極。這種方法是開發(fā)柔性微電極的新選擇。

PDMS是一種非常常見的材料，用于柔性電子產(chǎn)品。當(dāng)厚度較小時，其柔韌性較好。為了克服薄PDMS從模具中去除時的脆弱性，在以前的一些報道中，使用膜如可溶性PVA膜來輔助從硅片中去除PDMS膜，其中單層結(jié)構(gòu)的厚度為30mm(在本工作中為69 mm，具有較高的微通道)，通道面積僅為1 cm2(本研究為9 cm2)。然而，據(jù)報道，PVA膜非常，因此，在大面積制造過程中，so結(jié)構(gòu)是變形的。因此，PDMS膜也會發(fā)生變形。在本研究中，使用厚度為1.5 mm的PC膜。選擇PC膜是因為它具有適當(dāng)?shù)默殪`活性，即它足夠硬，可以在剝離時支撐大而薄的PDMS結(jié)構(gòu)，因此足夠容易剝離過程。一個er剝離，PC膜去除程序甚至更簡單的薄結(jié)構(gòu)。PC膜一旦與水接觸，在不施加任何力的情況下自然從PDMS中釋放出來，從而有效地避免了薄PDMS結(jié)構(gòu)的變形或斷裂。在所有實驗條件下，PC膜輔助薄PDMS結(jié)構(gòu)制備的結(jié)果是大而穩(wěn)定的薄PDMS結(jié)構(gòu)。

盲端設(shè)計一直是減小微信道尺寸、提高信道設(shè)計自由度的有效方法。本研究利用飛秒激光燒蝕技術(shù)進行液態(tài)金屬微電極制造盲端設(shè)計。在每個電極通道的最末端用飛秒激光鉆一個孔，激光燒蝕產(chǎn)生的平均孔尺寸測試為1500-3000 mm2，對于厚度在15毫米到52毫米之間，鉆孔時間在1毫秒到1000毫秒之間的膜。由于液態(tài)金屬的表面張力很大，它不能通過這個孔，在壓力下將它放入微通道內(nèi)。飛秒激光器已廣泛應(yīng)用于微通道制造工藝，但在液體輔助中應(yīng)用較少。該設(shè)計方法簡單有效，適用于盲端液態(tài)金屬電極的制造。

所以電極是開發(fā)柔性電子產(chǎn)品的一個非常重要的組成部分。制作的微電極作為可穿戴的運動傳感器進行測試。無需使用額外的膠水或粘附物，統(tǒng)計電力足以讓傳感器在皮膚上。本文所介紹的應(yīng)用恰好證明了這種微電極在實時應(yīng)用中的良好性能或潛力。

到目前為止，已經(jīng)有很多方法來制造電子產(chǎn)品，沒有一個是完美的，這個也是。即使微通道的制造過程很簡單，它也需要飛秒激光器來輔助盲端設(shè)計。

與所以光刻工藝相比，飛秒激光可能不是那么常見，因此在某些條件下可能很難整個工藝。此外，由于整個結(jié)構(gòu)是用PDMS制造的，而且它們非常薄，所以制造的電極應(yīng)小心保存，并輕輕使用，以防止損壞或斷裂。在未來，一種更堅硬的材料有望問世。