CN116921849A - 一种刺激响应变形结构的加工方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刺激响应变形结构的加工方法，刺激响应变形结构包括致动层和被动层，具体包括以下步骤：S1、刺激响应变形结构的制备，S2、微结构加工图形设计，S3、微结构激光加工，S4、施加刺激使结构发生变形；其应用为一种变形柔性电子系统。本发明采用上述步骤的一种刺激响应变形结构的加工方法及应用，使用激光直接在薄膜上加工微损伤结构，并通过调节微损伤结构的图案、深度、宽度和排列方向、间距，来定量调控刺激响应变形结构的变形参数，调控精准、快速，不受限于材料的制备工艺，适用范围广。

Description

一种刺激响应变形结构的加工方法及应用

技术领域

本发明涉及刺激响应变形结构制备技术领域，尤其是涉及一种刺激响应变形结构的加工方法及应用。

背景技术

刺激响应变形结构在受到特定外界刺激(包括光、温度、湿度、PH值、磁场、电)时发生变形，可由薄膜的平面二维结构转变为三维结构。在刺激响应变形薄膜结构上集成电子器件或其他功能组件可以将成熟的平面微电子加工制备工艺方便地引入到三维结构中，实现功能组件在目标上的三维共形自安装和自固定。

刺激响应变形薄膜结构中，通常通过调节薄膜的厚度、交联度、弹性模量等，或通过不同材料组分在平面上的结合，对变形的方向、曲率等参数进行调控。然而，这些方案中使用的工艺复杂、困难或耗时，且可调节的参数大多涉及材料的固有特性，需要在材料制备过程中进行调控，极大地限制了控制的灵活性和便捷性。此外，现有方案无法在时间维度上对变形进行调控，限制了它们在复杂变形结构中的应用。由于工艺方法的限制，这些方案与平面微电子集成制备工艺兼容性差，限制了其在智能变形柔性电子系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种刺激响应变形结构的加工方法及应用，使用激光直接在薄膜上加工微损伤结构，并通过调节微损伤结构的图案、深度、宽度和排列方向、间距，来定量调控刺激响应变形结构的变形参数，调控精准、快速，不受限于材料的制备工艺，适用范围广。

为实现上述目的，本发明提供了一种刺激响应变形结构的加工方法，刺激响应变形结构包括致动层和被动层，致动层是受到特定刺激时发生变形的单层或多层结构，被动层是对上述刺激没有响应或与致动层材料产生的响应不同的单层或多层结构，致动层和被动层由牢固的界面结合在一起，受到特定刺激时在致动层和被动层之间产生应变差从而发生由二维到三维的变形；

具体包括以下步骤：

S1、刺激响应变形结构的制备，

通过制备工艺制备包含致动层和被动层的刺激响应变形结构的薄膜；

S2、微结构加工图形设计，

根据激光加工微损伤结构的方向、深度、宽度和间距与变形参数的对应关系以及所需的三维结构，设计加工微结构的图纸，变形参数包括变形方向、弯曲曲率、致动时间；根据双金属梁的经典热膨胀弯曲方程：

这种刺激响应变形结构的变形曲率与双层膜的膨胀差、弹性模量比、厚度比有关；

S3、微结构激光加工，

导入图纸，使用激光器射出的激光束在刺激响应变形结构上加工微损伤结构，如图1所示。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程；

单个微损伤结构的宽度和深度通过调节激光的功率、扫描速度和扫描次数等参数进行调节，微损伤结构的排布方向以及微损伤结构的间距通过图纸的设计进行调节；

S4、施加刺激使结构发生变形，

对薄膜结构施加与使用的刺激响应材料相对应的刺激，使薄膜做出响应并进行所需的三维形状变换。

优选的，S1所述的制备工艺包括但不限于旋涂、刮涂、模型浇筑、溶胶凝胶、辐照聚合、溅射、蒸镀、化学沉积。

致动层和被动层的材料不限定为均匀材料。

一种刺激响应变形结构加工方法的应用，所述的应用为一种变形柔性电子系统，变形柔性电子系统包括致动层和被动层，致动层的表面具有激光束加工出的微损伤结构，被动层上远离致动层的一面使用二维平面微电子制备加工工艺进行电子器件的集成或电路结构的附着。

因此，本发明采用上述步骤的一种刺激响应变形结构的加工方法及应用，具有以下有益效果：

1、使用的激光加工技术通过调节激光的功率、扫描速度和扫描次数等参数以及微损伤图案的设计，可以方便的控制微损伤结构的截面形状、大小、方向以及定向排列间距等，从而对刺激响应结构的变形参数，包括变形方向，弯曲曲率、致动时间，进行精确的定量调控；

2、加工过程简单快速，通常只需要几秒钟到几分钟就可以完成微损伤图案的加工；

3、使用激光加工技术对刺激响应材料的表面进行微结构的加工，赋予材料特殊的加工性能而不需要改变材料的本征性能，使得调控更加灵活和便捷。在刺激响应结构中的多层薄膜均为均匀的薄膜的情况下，可以通过在同一个薄膜样品上同时形成不同线痕深度、宽度以及排布的微结构图案，实现复杂的变形动作；

4、设计的激光加工微结构调控刺激响应变形结构变形参数的方法适用于可被激光损伤的各种类型的刺激响应变形材料，且不受限于材料的制备工艺，适用范围广；

5、本发明使用的激光加工技术根据激光波长的不同可以对目标材料进行选择性加工，如可以透过上层材料对下层材料进行加工，为器件的整个制备工艺设计提供更大的灵活性和自由度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种刺激响应变形结构的加工方法及应用的微结构激光加工状态示意图；

图2为本发明实施例1的使用激光在PVA薄膜表面加工的单个微损伤结构效果图；

图3为本发明实施例1的改变激光加工参数形成的具有不同宽度和深度的线痕效果图；

图4为本发明实施例1的线痕间距对曲率和致动时间的调控曲线图；

图5为本发明实施例1的线痕排列方向对变形方向的调控效果图；

图6为本发明实施例1的利用微损伤结构调控设计形成的锥形螺旋结构图；

图7为本发明实施例1的利用微损伤结构调控设计形成的蝴蝶结结构效果图；

图8为本发明实施例1的利用微损伤结构调控设计形成的自锁结构效果图；

图9为本发明实施例2的螺旋结构自变形电极在目标上自固定效果图；

图10为本发明实施例3的线痕深度对曲率的调控曲线图；

图11为本发明实施例3的线痕间距对曲率的调控曲线图；

图12为本发明实施例3线痕排列方向对变形方向的调控效果图。

附图标记

1、激光器；2、激光束；3、致动层；4、被动层；5、微损伤结构。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1激光调控生成PVA/PCL双层水响应机械变形系统

S1、刺激响应变形结构的制备，

在清洗干净的玻璃片上使用PCL溶液(以20wt.％质量分数溶于N,N-二甲基甲酰胺中)进行旋涂，然后在80℃下干燥5分钟去除溶剂，得到PCL薄膜作为刺激响应变形结构的被动层4。然后使用定制的模具，将模具放置在PCL膜表面，将一定质量的10％ PVA水溶液浇筑到模具中的PCL膜表面上，在80℃下干燥2小时去除溶剂，得到的PVA薄膜具有在湿度环境中或在水中有大溶胀变形的特性，作为刺激响应变形结构的致动层3。

S2、微结构加工图形设计，

据激光加工微损伤结构5的方向、深度、宽度和间距与变形参数的对应关系以及所需的三维结构，设计加工微结构的图纸，变形参数包括变形方向、弯曲曲率、致动时间。通过在刺激响应变形材料上加工微损伤结构5调控其变形的原理是，线痕部位的弯曲刚度由于截面惯性矩的减小而降低，使结构发生定向变形。线痕深度的增加、线痕间距的减小，都将导致弯曲刚度的降低幅度增加，使结构弯曲需要的驱动力减小，致动速度增大，最终曲率增大。

S3、微结构激光加工，

在PVA表面使用激光器1射出的激光束2加工微损伤结构5结构，并进行测试。单个线痕结构的宽度和深度通过调节激光的功率、扫描速度和扫描次数等参数进行调节，线痕结构的排布方向以及线痕间距通过图纸的设计进行调节。

图2显示了在PVA表面加工的单个微损伤结构5的截面，单个线痕截面为V形，图3显示了通过调节激光参数，包括功率、扫描速度、扫描次数、占空比等，获得的不同深度、宽度的损伤结构的横截面，其深度可以从几十纳米到把薄膜切透，也可通过多个线痕紧密排列形成具有一定宽度和倾斜壁的凹槽；图a、c、d中微损伤结构5的深度为40μm，图b、e、f中微损伤结构5的深度为100μm。

图4显示了在PVA/PCL刺激响应变形结构中微损伤结构5的定向排列间距与变形的曲率和致动时间的对应关系，这种对应关系使得可以利用线痕间距的调节对变形的曲率和致动时间进行定量的精确调控。

图5显示了微损伤结构5排列方向对变形方向的精确控制，每个图的左下角插图为其激光加工图纸，在3mm*30mm的PVA/PCL双层矩形长条薄膜样品上加工了具有不同排列方向的微损伤结构5，微损伤结构5的倾角θ从左到右分别为θ＝75°、θ＝60°、θ＝45°、θ＝30°、θ＝15°。当样品受到湿度刺激做出响应时将以线痕的方向为轴进行弯曲形成具有不同螺距的圆柱螺旋结构。

图6显示了利用激光加工微损伤结构5的调控形成的锥形螺旋结构，每张图的左下角插图为其激光加工图纸，左图为PVA/PCL矩形条带从上到下线痕间距逐渐增大形成的螺旋半径逐渐增大的锥形螺旋结构，右图为矩形条带从上到下线痕间距先增大后减小形成的螺旋半径先增大后减小的螺旋结构。

图7显示了在PVA/PCL刺激响应双层结构中利用激光加工微损伤结构5的调控形成的蝴蝶结结构，左下角插图为其激光加工图纸，调节各区域线痕的方向和间距，使蝴蝶结的左右两侧翅膀和两条螺旋带首先变形形成，最后上部的矩形弯曲对形状进行固定。

图8显示了利用激光加工微损伤结构5的调控形成的自锁结构，左下角插图为其激光加工图纸，调节各区域线痕的排列方向和间距，当结构发生刺激响应变形时，矩形一侧的T形结构会首先向上弯曲，另一侧的两个“小门”也会向内弯曲。然后，随着整个矩形结构的弯曲，T形结构将卡入另一侧的“门”中，完成自锁，这种自锁结构可以将双层结构的形状保持在弯曲处，且提供一定的约束力。

S4、施加刺激使结构发生变形，

对薄膜结构与使用的刺激响应材料相对应的刺激，使薄膜做出相应并进行S3所设计的三维形状变换。

实施例2自变形柔性电极

在实施例1中的PVA/PCL刺激响应变形双层结构制备完成后，在PCL层表面通过磁控溅射的方式溅射Ni/Au电极，使用掩膜版对电极进行图案化设计，得到刺激响应自变形柔性电极，当给予其一定的湿度刺激时，PVA/PCL薄膜可以负载电极发生期望的变形。如图9所示，在预期成为螺旋结构的薄膜上溅射电极，得到的自变形电极在受到湿度刺激时自动缠绕到目标上，形成牢固且共形的连接界面，不需要额外的固定。

实施例3激光调控CNT-PDMS/PDMS/PI三层光热响应机械变形系统

S1、刺激响应变形结构的制备，

制备在洗干净的玻璃片上使用PDMS胶黏一层平整的PI膜，在PI膜上刮涂一层PDMS，并于80℃下进行固化，再在固化好的PDMS上刮涂一层CNT-PDMS，并于80℃下固化，得到CNT-PDMS/PDMS/PI三层光热响应机械变形系统。CNT-PDMS层中的碳纳米管在受到光照射时发生光热转换，并将热量传递给其它两层，CNT-PDMS层和PDMS层热膨胀系数较高，作为变形结构中的主动层，PI层热膨胀系数较低，作为变形结构中的被动层4。

S2、微结构加工图形设计，

据激光加工微损伤结构5的方向、深度、宽度和间距与变形参数的对应关系以及所需的三维结构，设计加工微结构的图纸，变形参数包括变形方向、弯曲曲率、致动时间。

S3、微结构激光加工，

使用激光束2在主动层表面进行微损伤结构5结构的加工，图10和图11显示了在CNT-PDMS/PDMS/PI刺激响应变形结构中线痕的深度以及线痕定向排列的间距与变形的曲率之间的对应关系，这种对应关系使得可以利用线痕深度或线痕定向排列间距的调节对变形的曲率进行定量的精确调控。

图12显示了线痕的排列方向对变形方向的精确控制，在的CNT-PDMS/PDMS/PI三层矩形长条薄膜样品上加工了具有不同排列方向的微损伤结构5，当样品受到热刺激做出响应时将以线痕的方向为轴进行弯曲形成具有不同螺距的圆柱螺旋结构。

S4、施加刺激使结构发生变形，

对薄膜结构与使用的刺激响应材料相对应的刺激，使薄膜做出相应并进行S3所设计的三维形状变换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种刺激响应变形结构的加工方法，其特征在于：刺激响应变形结构包括致动层和被动层，致动层是受到特定刺激时发生变形的单层或多层结构，被动层是对上述刺激没有响应或与致动层材料产生的响应不同的单层或多层结构，致动层和被动层由牢固的界面结合在一起，受到特定刺激时在致动层和被动层之间产生应变差从而发生由二维到三维的变形；

具体包括以下步骤：

S1、刺激响应变形结构的制备，

通过制备工艺制备包含致动层和被动层的刺激响应变形结构薄膜；

S2、微结构加工图形设计，

根据激光加工微损伤结构的图案、方向、深度、宽度和间距与变形参数的对应关系以及所需的三维结构，设计加工微结构的图纸，变形参数包括变形方向、弯曲曲率、致动时间；

S3、微结构激光加工，

导入图纸，使用激光束在刺激响应变形结构的致动层或被动层上加工微损伤结构，单个微损伤结构的宽度和深度通过调节激光的功率、扫描速度和扫描次数的参数进行调节，微损伤结构的排布方向以及微损伤间距通过图纸的设计进行调节；

S4、施加刺激使结构发生变形，

对薄膜结构施加与使用的刺激响应材料相对应的刺激，使薄膜做出响应并进行所需的三维形状变换。

2.如权利要求1所述的一种刺激响应变形结构的加工方法，其特征在于：S1所述的制备工艺包括旋涂、刮涂、模型浇筑、溶胶凝胶、辐照聚合、溅射、蒸镀、化学沉积。

3.根据权利要求1或2所述的一种刺激响应变形结构加工方法的应用，其特征在于：所述的应用为一种变形柔性电子系统，变形柔性电子系统包括致动层和被动层，致动层的表面具有激光束加工出的微损伤结构，被动层上远离致动层的一面使用二维平面微电子制备加工工艺进行电子器件的集成或电路结构的附着。