專利名稱：柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納米制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著柔性電路和柔性器件的逐漸推廣應(yīng)用，柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化尤為重要。柔性傳感器，激振器和柔性電子電路等是目前正在興起的一個(gè)重要學(xué)科領(lǐng)域。利用柔性基底薄膜結(jié)構(gòu)表面屈曲實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的功能是已經(jīng)廣泛采用的一種手段。NedBowden等通過(guò)在柔性基底PDMS表面鍍金膜，鍍膜過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化，使得薄膜基底系統(tǒng)自發(fā)性地發(fā)生屈曲褶皺。后續(xù)有諸多學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)這種薄膜基底系統(tǒng)由于失配應(yīng)變引起的屈曲進(jìn)行了研究。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，屈曲的發(fā)生是由于薄膜和柔性基底之間的彈性常數(shù)相差甚遠(yuǎn)所致。一般薄膜的彈性模量比基底高兩三個(gè)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)對(duì)熱膨脹的PDMS表面進(jìn)行氧等離子體改性處理后，在其表面形成一層較厚的薄膜。待冷卻后PDMS收縮產(chǎn)生的失配應(yīng)變?cè)诒∧け砻嫘纬扇拱櫋dwin P等(Edwin P等，Soft matter, 2 (2006)324 - 328)通過(guò)對(duì)PDMS進(jìn)行紫外臭氧老化處理改變表面一層薄膜的模量，再將其置于乙醇蒸汽中，使得PDMS表面發(fā)生屈曲裙皺。Cunjiang Yu等(Cunjiang Yu等,APPLIED PHYSICSLETTERS,96 (2010)041111)通過(guò)對(duì)預(yù)拉伸的PDMS進(jìn)行紫外氧化處理后，釋放PDMS使其表面發(fā)生屈曲，通過(guò)改變預(yù)拉伸的幅度控制屈曲的波長(zhǎng)和幅值，這種表面形成的周期性結(jié)構(gòu)可以作為光學(xué)光柵使用。以上這幾種實(shí)驗(yàn)方法均不能實(shí)現(xiàn)在PDMS表面選擇性地發(fā)生褶皺屈曲。而對(duì)于柔性器件的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有選擇性地在表面設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，可在柔性基底薄膜表面選擇性地發(fā)生褶皺屈曲，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，包括如下步驟:S1:繪制曲線圖形并制備光刻掩膜；S2:利用所述光刻掩膜，光刻石英玻璃；S3:在圖形化的石英玻璃上澆鑄柔性基底預(yù)聚體，然后固化得到圖形化的柔性基底并剝離；以及S4:在圖形化的柔性基底上鍍金屬膜。優(yōu)選地，所述柔性基底為聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亞胺中的一種或多種的組合。優(yōu)選地，所述金屬膜為鋁、銅或金中的一種或多種的組合。優(yōu)選地，所述所述曲線圖形的曲線半徑為150-450微米，曲線間隔為50-450微米。優(yōu)選地，所述曲線圖形為多條平行的波浪線。優(yōu)選地，相鄰的兩條所述波浪線凹凸起伏的順序相同或相反。優(yōu)選地,所述金屬膜的厚度為100-300nm。本發(fā)明的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，在柔性基底材料表面形成曲線結(jié)構(gòu)，再在基底上鍍膜，由于溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，曲線結(jié)構(gòu)引導(dǎo)薄膜內(nèi)的應(yīng)力分布，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同曲率、間距和形狀的曲線結(jié)構(gòu)，控制褶皺屈曲發(fā)生的區(qū)域和幅度，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1為本發(fā)明實(shí)施例的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖；圖2為CAD繪制的不同圓弧半徑、曲線間距和形狀的曲線圖案；圖3為圖像化的石英玻璃上的曲線圖案；圖4為PDMS基底鋁膜系統(tǒng)褶皺屈曲的SEM掃描圖；圖5為超景深光學(xué)顯微鏡下觀察的基底薄膜褶皺屈曲形貌；圖6為Abaqus軟件模擬基底上曲線圖形引導(dǎo)的應(yīng)力分布趨勢(shì)圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖，圖2為CAD繪制的不同圓弧半徑、曲線間距和形狀的曲線圖案，圖3為圖像化的石英玻璃上的曲線圖案，圖4為柔性基底鋁膜系統(tǒng)褶皺屈曲的SEM掃描圖，圖5為超景深光學(xué)顯微鏡下觀察的基底薄膜褶皺屈曲形貌，圖6為Abaqus軟件模擬基底上曲線圖形引導(dǎo)的應(yīng)力分布趨勢(shì)。如圖1所示，本發(fā)明的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，包括如下步驟:S1:繪制曲線圖形并制備光刻掩膜。一般地，曲線圖形的曲線半徑為150-450微米，曲線間隔為50-450微米。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，曲線圖形為多條平行的波浪線。相鄰的兩條波浪線凹凸起伏的順序相同或相反。S2:利用光刻掩膜，光刻石英玻璃。S3:在圖形化的石英玻璃上澆鑄柔性基底預(yù)聚體，然后固化得到圖形化的柔性基底并剝離。具體地，柔性基底為聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亞胺中的一種或多種的組合。S4:在圖形化的柔性基底上鍍金屬膜。具體地，金屬膜為鋁、銅或金中的一種或多種的組合，金屬膜的厚度為100_300nm。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合圖2至圖6對(duì)圖1進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先設(shè)計(jì)不同的曲線結(jié)構(gòu)，采用CAD軟件繪制曲線圖形。本發(fā)明實(shí)施例以圓弧曲線為例，圓弧半徑可以為200um、300um、400um等，曲線間距可以為100um、200um、400um等，繪制的曲線圖案如圖2所示。除圓弧曲線外，同樣也可以采用其它形式的曲線。接著將曲線圖形制作在菲林膠片上，曲線線寬為20um，菲林膠片作為光刻掩膜。接著在厚度為Imm的石英玻璃上甩涂光刻膠,甩膠速度3000r/min,時(shí)間lmin。曝光之前進(jìn)行前烘，烘臺(tái)100°C下烘5min。然后將烘烤后的光刻膠進(jìn)行紫外曝光，將前面得到的菲林膠片作為掩膜裝卡在紫外曝光機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間30s，菲林膠片為正片，即有圖形的地方不透光，所以光刻膠被曝光的地方為沒(méi)有曲線圖形的區(qū)域。曝光之后再進(jìn)行烘烤，時(shí)長(zhǎng)lmin。顯影，顯影液為5%。的NaOH溶液，顯影時(shí)長(zhǎng)10s，顯影后石英玻璃上顯現(xiàn)光刻膠曲線圖形，隨后對(duì)石英玻璃片進(jìn)行沖洗，將石英玻璃進(jìn)行烘烤。采用稀釋的氫氟酸溶液對(duì)石英玻璃進(jìn)行腐蝕，將曲線圖案轉(zhuǎn)移到石英玻璃上，再用丙酮清洗石英玻璃，去除殘留的光刻膠，得到有曲線圖案的石英模板。圖形化的石英玻璃上得到的曲線圖案如圖3所示。然后將聚二甲基娃氧燒(polydimethylsiloxane, PDMS)預(yù)聚體與固化劑按比重10:1混合，攪拌均勻并置于離心機(jī)內(nèi)甩膠，待混合液內(nèi)部氣泡基本甩出后,將PDMS混合液直接澆鑄在石英玻璃上。置于烘箱內(nèi)，在70°C下保溫Ih固化，將固化后的PDMS從石英玻璃上揭下，曲線圖案復(fù)制在PDMS上，得到圖形化的PDMS基底。最后采用熱蒸鍍的方法在PDMS基底上鍍鋁膜，本發(fā)明實(shí)施例中鋁膜厚度為200nm,在SEM下得到的鍍完鋁膜后的PDMS表面如圖4所示，在超景深光學(xué)顯微鏡下進(jìn)一步放大可以明顯地看到形成的褶皺屈曲如圖5所示。鋁膜的厚度隨鍍膜時(shí)長(zhǎng)可控，可根據(jù)需要在100-300nm范圍內(nèi)調(diào)整鋁膜的厚度，隨著鍍膜厚度的不同，褶皺屈曲的波長(zhǎng)和幅度也不同，此外，最初CAD繪制曲線過(guò)程中設(shè)計(jì)不同曲率和形狀的曲線結(jié)構(gòu)，可以控制薄膜褶皺屈曲的幅度和區(qū)域。我們采用計(jì)算機(jī)模擬柔性基底表面曲線結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力分布的影響。采用有限元軟件Abaqus模擬，對(duì)模型施加壓應(yīng)力仿真PDMS基底內(nèi)的壓應(yīng)力。為了簡(jiǎn)化圖6所建模型為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱模型，圓形基底上有一同心凹槽，圖6 (a)給出了沿徑向的環(huán)向應(yīng)力分布圖。從應(yīng)力云圖可以看出，在曲線的凹側(cè)靠近凹槽壓應(yīng)力減小趨近于0，在曲線的凸側(cè)靠近凹槽壓應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，在曲線的凸側(cè)壓應(yīng)力最大，沿徑向的褶皺屈曲容易發(fā)生，而在凹側(cè)，壓應(yīng)力可以抑制沿徑向的屈曲褶皺的發(fā)生。從圖4和圖5中(特別是其中的左圖)可以看出褶皺屈曲均發(fā)生在曲線凸側(cè)，而凹側(cè)則沒(méi)有發(fā)生褶皺屈曲。本發(fā)明的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，在柔性基底材料表面形成曲線結(jié)構(gòu)，再在基底上鍍膜，由于溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，曲線結(jié)構(gòu)引導(dǎo)薄膜內(nèi)的應(yīng)力分布，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同曲率、間距和形狀的曲線結(jié)構(gòu)，控制褶皺屈曲發(fā)生的區(qū)域和幅度，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。流程圖中或在此以其他方式描述的任何過(guò)程或方法描述可以被理解為，表示包括一個(gè)或更多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能或過(guò)程的步驟的可執(zhí)行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的范圍包括另外的實(shí)現(xiàn)，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序，來(lái)執(zhí)行功能，這應(yīng)被本發(fā)明的實(shí)施例所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括如下步驟: S1:繪制曲線圖形并制備光刻掩膜； S2:利用所述光刻掩膜，光刻石英玻璃； S3:在圖形化的石英玻璃上澆鑄柔性基底預(yù)聚體，然后固化得到圖形化的柔性基底并剝離；以及 S4:在圖形化的柔性基底上鍍金屬膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述柔性基底為聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亞胺中的一種或多種的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述金屬膜為鋁、銅或金中的一種或多種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述曲線圖形的曲線半徑為150-450微米，曲線間隔為50-450微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述曲線圖形為多條平行的波浪線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，相鄰的兩條所述波浪線凹凸起伏的順序相同或相反。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述金屬膜的厚度為100-300nm。
全文摘要
本發(fā)明提出一種柔性基底薄膜表面微結(jié)構(gòu)的形成方法，包括繪制曲線圖形并制備光刻掩膜；利用光刻掩膜，光刻石英玻璃；在圖形化的石英玻璃上澆鑄柔性基底預(yù)聚體，然后固化得到圖形化的柔性基底并剝離；以及在圖形化的柔性基底上鍍金屬膜。本發(fā)明在柔性基底材料表面形成曲線結(jié)構(gòu)，再在基底上鍍膜，由于溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，曲線結(jié)構(gòu)引導(dǎo)薄膜內(nèi)的應(yīng)力分布，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同曲率、間距和形狀的曲線結(jié)構(gòu)，控制褶皺屈曲發(fā)生的區(qū)域和幅度，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103204459SQ201310088719
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者殷雅俊, 吳丹, 謝惠民 申請(qǐng)人:清華大學(xué)