一种液态金属结构及其瞬时图案化封装方法与流程

本发明涉及液态金属图案化技术领域，尤其涉及一种液态金属结构及其瞬时图案化封装方法。

背景技术：

镓（ga）基液态金属由于其无毒性，高电/热导率，可变形性，自愈合能力等优异的性能和独特的表面化学性质而引起了很多关注。现已经在柔性电子，软体机器人，微流控，绿色合成和可穿戴传感领域发展了许多功能强大的应用。然而对于许多应用而言，一个关键的步骤是将液态金属图案化以构建功能组件和器件。然而，镓基液态金属具有高表面张力（>600mnm^-1），因此倾向于保持球形以使得表面能最小。此外，液态金属在氧气作用下表面会产生金属氧化物层。这些特性使得难以用常规方式使液态金属形成特定图案。因此，使用已知的印刷方法（例如喷墨或丝网印刷）直接对液态金属进行图案化是非常困难的。

在过去几年中已经开发了各种液态金属图案化技术，目前现有的技术有微流体注入，选择性润湿，液态金属悬浮印刷，模板光刻，还原印刷，压印光刻，选择性机械烧结，激光图案化，微接触印刷和三维印刷等。但都存在一定的制备过程繁琐，需要仪器较多，操作步骤困难，导致最后液态金属图案分辨率低，图案化成功率低，耗能高等问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种液态金属结构及其瞬时图案化封装方法。本发明将水溶性膜设置在基板上，封住凹槽，用正压填充法或负压填充法向凹槽内注入液态金属，最后将填充液态金属的图形模板放入去离子水中去除水溶性膜，由于液态金属一直沉积在凹槽内，表面的水溶性膜不会对图案产生影响，解决了现有技术中液态金属图案化的过程繁琐，需要仪器较多，操作步骤困难，导致最后液态金属图案分辨率低的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，包括以下步骤：

制备图形模板；其中图形模板上具有凹槽；

采用水溶性膜封住图形模板上的凹槽；

通过正压填充法或负压填充法向凹槽中填充液态金属；

将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，去除水溶性膜。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述正压填充法包括步骤：

将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，去除水溶性膜得到液态金属结构。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述正压填充法包括步骤：

在水溶性膜上对应凹槽两端处开设孔洞，然后通过注射器吸取液态金属后向任意一孔洞中注入液态金属。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述负压填充法包括步骤：

在水溶性膜上对应凹槽处开设孔洞，然后将液态金属放置孔洞处后进行抽真空处理，直至液态金属填满凹槽。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，去除水溶性膜包括步骤：

将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，然后取出烘干得到液态金属结构。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述水溶性膜的材料为水性聚氨酯、硝化纤维、聚乙烯醇、壳聚糖、甲壳素、纤维素、淀粉、丙烯酸酯中的一种。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述制备图形模板具体包括步骤：

在基板上通过光刻胶固化或3d打印形成凸起，在基板上覆盖一层覆盖物后固化，去除基板得到图形模板。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述覆盖物为pdms，pva，ecoflex或金属中的一种。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述基板为硅片，所述液态金属为汞、汞合金、镓、或镓合金中的一种。

所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法，其中，所述将填充液态金属的图形模板放入去离子水中的时间为25-35分钟。

本发明还提供一种液态金属结构，采用如上述任一所述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法制备而成。

本发明所提供的一种液态金属结构及其瞬时图案化封装方法，在基板上设置凹槽，并在基板上设置水溶性膜封住凹槽，通过正压填充法或负压填充法向凹槽中填充液态金属，用去离子水去除水溶性膜，由于液态金属一直沉积在凹槽内，表面的水溶性膜不会对图案产生影响，所以液态金属图案化的分辨率很高。

附图说明

图1是本发明一种液态金属结构的瞬时图案化封装方法的较佳实施例的流程图。

图2是本发明一种液态金属结构的瞬时图案化封装方法的较佳实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明一种液态金属结构的瞬时图案化封装方法的较佳实施例的流程图。图1所示的一种液态金属结构的制备方法，包括如下步骤：

s100、制备图形模板；其中，图形模板上具有凹槽。

步骤s100具体为，根据所需要的不同图案（如螺旋线圈）的尺寸、形状等，选择不同的工艺，在基板上生成所需的图案，譬如可以采用将光刻胶涂覆在基板上，然后刻蚀出所需图案，其中，所述光刻胶具有很强的粘附性，能够很好地粘附在所述基板上，形成各式各样的图案，可以避免基板表面的图形变形，也能够经受住后续工艺的考验。当然也可以通过3d打印机一次打印出带有图案的基板，此时制得的基板上的图案是凸出于基板表面的，为了得到具有凹槽型图案的基板，还需在基板上（具有凸出图案的一面）涂覆一层覆盖物，待这层覆盖物固化成型后，将该层覆盖物揭下，就得到了具有凹槽型图案的图形模板。通过控制凸出图案的形状、尺寸、精度，可以得到相应形状、尺寸、精度的凹槽，凹槽的形状、尺寸、精度直接关系到后续液态金属结构的形状、尺寸、精度，这种方式比直接在直接在图形模板上直接开设凹槽更容易控制形状、大小、精度，得到更加优异的液态金属结构。

优选地，所述基板为硅片，光刻胶可以很好地粘附在硅片上，再通过刻蚀可以得到所需的图案。所述覆盖物可以是不同于所述光刻胶的其他硅橡胶，如聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚乙烯醇（pva）或ecoflex（属于pbat，一般归于塑料，pbat属于热塑性生物降解塑料，是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物），也可以是其它高分子材料或金属等，当选用聚二甲基硅氧烷时，覆盖物固化成型具体为，恒温50-70℃下固化2-5小时，较佳的，温度可以设置在65℃，固化时间设置为3小时。

s200、采用水溶性膜封住图形模板上的凹槽。

步骤s200具体为，在图形模板上，设有凹槽的一面粘贴一层水溶性膜，水溶性膜的面积可与图形模板的面积大小相同，但一定要能够完全封住所述凹槽，使凹槽与外部空间隔绝。

优选地，所述水溶性膜为水性聚氨酯、硝化纤维、聚乙烯醇、壳聚糖、甲壳素、纤维素、淀粉、丙烯酸酯中的一种。针对不同的图形模板表面，选择不同的水溶性膜，如果图形模板的表面平滑可以选用自身不带粘黏性但可以与图形模板平滑面紧密贴合的薄膜（如聚乙烯醇膜），如果图形模板的表面粗糙，则应该选择自身带有粘黏性的水溶性胶带（如丙稀酸胶带）来覆盖图形模板的粗糙表面，以此将凹槽与外界空间隔绝。

值得说明的是，本发明还可以采用其他材料性质的可溶性膜用于覆盖所述图形模板，该可溶性膜能溶解于酸或碱等其他溶剂，最后通过相应的溶剂溶解该可溶性膜。当然，采用水作为溶剂更加廉价，更加环保，在水中加入酸或碱可加速溶解，提高效率。

s300、通过正压填充法或负压填充法向凹槽中填充液态金属。

所述正压填充法具体为，先在水溶性膜上用0.5-1mm打孔器打两个孔（这里可根据凹槽图案大小来确定孔的大小），其中一个孔洞位于所述凹槽的一端，另一个孔洞位于所述凹槽的另一端，通过任意一个孔洞，向所述凹槽中注射液态金属，可以通过注射器（或注射泵）直接将液态金属注入，液态金属充满整个凹槽，形成如凹槽图案的形状。所述正压填充法适用于凹槽管道为一条通道的情况，注射器将液态金属从凹槽管道的一端注入，液态金属沿着一条通路直接填充满整个凹槽通道，不但填充速度快，而且操作方便简单。

所述负压填充法具体为，先在水溶性膜上用0.5-1mm打孔器打一个孔洞，所述孔洞位于凹槽管道的管道口上，然后用过量的液态金属堵住所述孔洞，再将该图形模板放置于真空室内，由于凹槽管道内是有空气存在的，凹槽内空间与外界的真空环境形成气压差，凹槽管道内的空气会从所述孔洞逸出，这样凹槽管道内也变为真空，此时将整个图形模板从真空室内取出，在大气中放置一段时间，由于此时凹槽管道内已经是真空，与大气形成气压差，堵在所述孔洞上的液态金属会被推入凹槽管道中，直到液态金属填满凹槽管道。采用负压填充法虽然步骤较为复杂，但是可以形成复杂的图案，可以应用于多条通道的凹槽管道，得到的复杂图案均匀完整。

在负压填充法中利用外界压力pair大于凹槽内压力pin的原理，将液态金属填充进凹槽中。为了提高液态金属填充的效率，可以设置多个孔洞，多点进行液态金属填充，尤其是复杂图案，为了防止复杂图案的部分地方难以填充满，可在难以填充满的地方开设孔洞，并在孔洞上设置液态金属，从而使得整个复杂图案都可以填充满。且在利用水溶性膜封住图形模板上的凹槽后，多余的液态金属会位于水溶性膜的上方，便于去除或回收这部分多余的液态金属，具体地去除或回收方法可以是采用刮去，或者采用注射器吸取的方式。

本发明中，灵活应用正压填充法和负压填充法，如果凹槽管道是简单图案（如矩形，圆形，螺旋形等）且只有一条通道时，选择正压填充法填充液态金属；如果凹槽管道是较为复杂（如五角星形）且有多条通道时，则选择负压填充法，可以得到均匀完整的复杂图案。

当然还可以采用其它方法将液态金属注入到凹槽中，比如说，正压填充法中，在水溶性膜上开设孔洞后，将液态金属放置在水溶性膜（可以不用放在孔洞处）上，并采用刮涂的方式将液态金属压入到凹槽中。在负压填充法中，可以在水溶性膜上开设孔洞后将液态金属放置在水溶性膜的孔洞处，然后利用带针头的注射器插入凹槽中并吸取凹槽中的空气，以使得孔洞处的液态金属在外界气压的压力下进入并填充凹槽，带针头的注射器插入凹槽的位置可以随时调整，由于针头形成的孔比较小，并不影响液态金属填充。

当然还可以采用正压填充法和负压填充法相结合的方式来注入液态金属，例如先采用正压填充法将大部分液态金属填充到凹槽中，再采用负压填充法，将凹槽填充满，可以充分确保凹槽都填充满。

具体实施时，所述液态金属可以采用汞、汞合金、镓、或镓合金，当然也可以用其他的室温液态金属。

s400、将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，去除水溶性膜得到液态金属结构。

步骤s400具体为，将填充液态金属后的图形模板放置于一盛满去离子水的容器中，水溶性膜逐渐溶解于水中，25-35分钟后，将填充有液态金属的图形模板取出，此时水溶性膜已经完全溶解于去离子水中，再放入烘箱中烘干去除多余的水分，得到液态金属图案，由于液态金属的密度显著大于水，会沉积在水的底部，且液态金属性质稳定，不会与水发生反应，液态金属一直沉积在管道内，表面的水溶层不会对图案产生影响，所以图案化的分辨率很高，最细可以达到30μm。图案化后的液态金属会整齐沉积在凹槽管道内，只需浸泡在水中，无需任何多余的步骤，如需加速，可以稍微增加水的温度。溶解完毕捞出后，水溶物质已经不存在液态金属表面，只需把表面的水分烘干即可。

值得说明的是，由于水溶性膜泡在水中可以瞬时溶解，从而得到液态金属结构的图案化封装。该方法操作简单，成本低廉，需要的仪器和工具少，无污染且耗能低，得到的图案分辨率高，成功率高。相比于其他方法有极大的优势，开辟了一条图案化的捷径。

较佳地，本发明还提供一种液态金属结构，采用上述的液态金属结构的瞬时图案化封装方法制备而成。

综上所述，本发明所提供的一种液态金属结构及其瞬时图案化封装方法，所述方法包括：制备图形模板；其中，图形模板上具有凹槽；采用水溶性膜封住图形模板上的凹槽；通过正压填充法或负压填充法向凹槽中填充液态金属；将填充液态金属的图形模板放入去离子水中，去除水溶性膜得到液态金属结构。本发明中将水溶性膜设置在基板上，封住凹槽，用正压填充法或负压填充法向凹槽内注入液态金属，最后将填充液态金属的图形模板放入去离子水中去除水溶性膜，由于液态金属一直沉积在凹槽内，表面的水溶性膜不会对图案产生影响，所以液态金属图案化的分辨率很高。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。