制备柔性电化学器件的方法、柔性电化学器件与流程

本发明涉及微制造技术领域，具体地，涉及制备柔性电化学器件的方法、柔性电化学器件。

背景技术：

目前，柔性电化学器件因体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉等优点被广泛应用于电子、医学、汽车和航空航天系统。例如，基于利用微细驻留气泡制备的柔性mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)蒙皮，可以贴附于航行体流线型曲面的表面，用于航行体减阻。其减阻原理是，通过微细电化学反应，电解水产生气泡，该气泡在航行体表面产生一层气膜，从而将液-固界面变为液-气-固界面，大大减小了航行体表面的摩擦阻力作用。

然而，目前制备柔性电化学器件的方法、柔性电化学器件仍有待改进。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

发明人发现，目前制备柔性mems减阻蒙皮的方法普遍比较复杂并且不利于大规模制造。最初制备柔性mems减阻蒙皮的方法中，微凹坑阵列是通过光刻和刻蚀形成的，这就要求制备柔性表层的材料能够拥有合适的刻蚀方法，而目前可选用的材料和刻蚀方法十分有限，且能够通过光刻、刻蚀工艺获得所述微凹坑阵列的材料，如聚酰亚胺(pi)、聚对二甲苯等光刻胶材料，其柔性不能满足贴附任意形状曲面的需求。后来改进的制备柔性mems减阻蒙皮的方法中，首先制备含有与微凹坑形状相反的微凸柱阵列模具，然后用聚合物的预聚物填充模具并固化，形成柔性表层，然后依次在柔性表层上制备图案化电极和柔性衬底，最后将柔性mems减阻蒙皮脱模。这种制备方法大大拓宽了柔性表层材料的选择范围，克服了前述制备方法的不足，但这种制备方法在柔性mems减阻蒙皮制备完成后，需要将带有微凹坑的柔性表层从模具中脱出，目前所能采用的手动脱模方法，为了保证微凹坑结构的完整，对操作者有较高要求，不利于大规模制造，且容易使柔性表层的结构受到破坏。因此，如果能提出一种工艺简单且加工效率较高的制备柔性电化学器件的方法，将在很大程度上解决上述问题。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备柔性电化学器件的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供基底；在所述基底上形成柔性衬底；在所述柔性衬底上形成电极层；在所述电极层上形成多个液体微珠，多个所述液体微珠分散排列在所述电极层上；在多个所述液体微珠之间的间隙处形成柔性表层；去除所述液体微珠；去除所述基底，以便形成所述柔性电化学器件。由此，利用该方法可以通过简单的工艺制备所述柔性电化学器件，避免了人工操作对器件的影响，同时，该方法加工效率高且制备的柔性电化学器件表面形貌度高，性能优良。

根据本发明的实施例，在所述电极层上形成多个所述液体微珠是通过超声波震荡的方法实现的。由此，可以简便地制得所述液体微珠，并且可以通过调节超声波震荡器的频率来制备合适尺寸的液体微珠，进而使所述柔性电化学器件的性能更佳。

根据本发明的实施例，所述液体微珠是由聚合物形成，所述聚合物与所述电极层的接触角大于90度。由此，有利于在所述电极层上形成形貌良好的液体微珠。

根据本发明的实施例，所述聚合物为聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。由此，可以在所述电极层上制备形貌良好的液体微珠，进一步提高了产品的使用性能。

根据本发明的实施例，所述液体微珠的直径为1-50微米。具有上述直径的液体微珠有利于后续形成同样直径的凹坑，具有该直径的凹坑有利于实现更佳的减阻效果，进一步提高了产品的使用性能。

根据本发明的实施例，去除所述液体微珠是通过将所述液体微珠溶解实现的。由此，可以通过简便的方法去除液体微珠，得到具有凹坑阵列的柔性电化学器件。

根据本发明的实施例，所述液体微珠以及所述柔性表层可分别溶解于不同的溶剂中。由此，可以选用液体微珠可溶而柔性表层不可溶的溶剂来溶解所述液体微珠，得到形貌规整的凹坑阵列，并且不影响所述柔性表层的性质。

根据本发明的实施例，所述去除基底是通过溶胀所述柔性衬底而实现的。由此，可以简便地去除基底，避免了人工操作对器件的影响，进一步提高了产品的使用性能。

根据本发明的实施例，所述柔性衬底是由聚二甲基硅氧烷形成，所述溶胀是在丙酮或n-甲基吡咯烷酮中实现的。由此，可以简便地去除基底，避免了人工操作对器件的影响，进一步提高了产品的使用性能。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种柔性电化学器件。根据本发明的实施例，该器件是由前面所述的方法制备的，因此该器件具有前面的方法所制备的柔性电化学器件所具有的全部特征以及有点，在此不再赘述。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的制备柔性电化学器件的方法流程图；

图2显示了根据本发明另一个实施例的制备柔性电化学器件的方法流程图；以及

图3显示了根据本发明一个实施例的柔性电化学器件的结构示意图；

附图标记：

100：基底；200：柔性衬底；300：电极层；400：柔性表层；10：液体微珠；20：凹坑；1000：柔性电化学器件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备柔性电化学器件的方法。根据本发明的实施例，参考图1和图2，该方法包括：

s100：提供基底

在该步骤中，提供基底。根据本发明的实施例，参考图2中的(a)，基底100的材质和形状不受特别限制，只要其表面平整且能承载后续的柔性电化学器件即可。根据本发明的实施例，基底100可以为硬质基底100，具体的，可以为硅片或石英玻璃。由此，该基底100有助于后续操作中形成表面平整的柔性电化学器件。

s200：形成柔性衬底

在该步骤中，在基底100上形成柔性衬底。根据本发明的实施例，参考图2中的(b)，柔性衬底200的材质和制备方法不受特别限制，只要能在基底100上形成非水溶性的柔性薄膜即可。根据发明的实施例，柔性衬底200可以是由柔性聚合物形成的，具体的，可以为聚二甲基硅氧烷(pdms)。可以将该柔性聚合物涂覆在基底100上，再加温固化得到柔性衬底200。根据本发明的具体实施例，可以采用匀胶机将柔性聚合物涂覆在基底100上，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数得到不同厚度的柔性衬底200。根据本发明的实施例，柔性衬底200的厚度不受特别限制，本领域技术人员可根据实际需要进行设置。具体的，柔性衬底200的厚度可以为0.3mm至2mm。具有该厚度范围的柔性衬底200不仅可以满足贴付于不同航行体表面的需求，还可以对后续制备的电极层等起到良好的支撑作用。

s300：形成电极层

在该步骤中，在柔性衬底200上形成电极层。根据本发明的实施例，参考图2中的(c)，电极层300可以包括电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子以及电连线(图中未示出)。电解阳极和电解阴极交错排列在柔性衬底200上，形成一平面梳状结构。电解阳极通过阳极电连线与阳极引线端子电连接，电解阴极通过阴极电连线和阴极引线端子电连接。阳极引线端子和阴极引线端子和外部供电线路电连接。根据本发明的实施例，电极层300的材料不受特别限制，只要能导电即可，具体的，形成电极层300的材料可以为铂、金或其他惰性金属。根据本发明的实施例，制备电极层300的方法不受特别限制，具体的，当制备电极层300的电极材料为金属时，可采用溅射或沉积的方法形成电极层300，也可以采用甩胶-光刻-溅射-超声剥离工艺形成电极层300。根据本发明的实施例，电极层300的厚度不受特别限制，具体的，可以为0.05～5μm。具有此厚度范围的电极层300可以具有较佳的电解水的速率，进一步提高了该器件的性能。

s400：形成多个液体微珠

在该步骤中，在电极层300上形成多个液体微珠。根据本发明的实施例，参考图2中的(d)，液体微珠10可以是由聚合物形成的，该聚合物与电极层300的接触角可以大于90度。由此，有利于聚合物在电极层300上形成形貌良好的液体微珠10。根据本发明的实施例，形成液体微珠10的聚合物可以为聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。根据本发明的实施例，可以采用超声波震荡的方法形成的多个液体微珠10，具体的，可以将熔融状的聚合物滴入超声波震荡器中，通过超声震荡，聚合物可以被打散形成液体微珠，从振荡器底部的出口排出，并沉积到位于振荡器下方的电极层300上。由此，可以简便地在电极层300上形成多个液体微珠10，形成的多个液体微珠10由于液体之间的毛细力作用，可以分散排列在电极层300上。根据本发明的实施例，超声波震荡器的具体类型和型号不受特别限制，只要能将熔融状聚合物打散成液体微珠即可。根据本发明的实施例，通过调节超声波震荡器的频率，可以制得一定尺寸范围的液体微珠，具体的，当超声振荡器的频率范围为0.1mhz～10mhz时，可以制得直径为1-50微米的液体微珠10，具有上述直径的液体微珠10有利于后续形成同样直径的凹坑，具有该直径的凹坑有利于实现更佳的减阻效果，进一步提高了产品的使用性能。

s500：形成柔性表层

在该步骤中，在多个液体微珠10之间的间隙处形成柔性表层。根据本发明的实施例，参考图2中的(e)，柔性表层400可以使由柔性聚合物形成的，具体的，可以由聚二甲基硅氧烷(pdms)形成。根据本发明的实施例，可以将用于形成柔性表层400的柔性聚合物的预聚物，涂覆在电极层300上方的液体微珠10的空隙处，然后通过加温固化的方式，得到柔性表层400。

s600：去除液体微珠

在该步骤中，去除液体微珠10。根据本发明的实施例，参考图2中的(f)，去除液体微珠10，以便形成具有凹坑20阵列的柔性表层400。根据本发明的实施例，去除液体微珠10可以是通过将液体微珠10溶解实现的。由此，可以通过简便的方法去除液体微珠10，得到具有凹坑阵列的柔性电化学器件。根据本发明的实施例，液体微珠10以及柔性表层400可以分别溶解于不同的溶剂中。由此，可以选用液体微珠10可溶而柔性表层400不可溶的溶剂来溶解液体微珠10，得到形貌规整的凹坑20阵列，并且不影响柔性表层400的性质。

s700：去除基底，以便形成柔性电化学器件

在该步骤中，去除基底100，以便形成柔性电化学器件。根据本发明的实施例，去除基底100的方法不受特别限制，例如可以采用机械剥离的方法。根据本发明的实施例，去除基底100可以是通过溶胀柔性衬底200而实现的。如前所述，柔性衬底200可以是由柔性聚合物形成的，因此将该柔性衬底置于可使其溶胀的溶剂中时，该柔性衬底会发生变形并产生内应力，由此，可以简便地去除基底100，避免了人工操作对器件的影响，进一步提高了产品的使用性能。

综上可知，该制备柔性电化学器件的方法，无需从模具中将柔性表层脱出，也就不会使柔性表层的结构受到破坏，也不涉及手工操作，因此提高了柔性阵列器件的加工效率和成品率。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种柔性电化学器件。根据本发明的实施例，参考图3，该器件1000是由前面所述的方法制备的，因此该器件1000具有前面的方法所制备的柔性电化学器件所具有的全部特征以及有点，在此不再赘述。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市面购买获得的常规产品。

实施例1、制备柔性电化学器件

采用单抛硅片作为基底，具体操作步骤如下：

(1)将pdms预聚物与固化剂以单体质量比为10：1的比例混合，充分搅拌均匀并抽真空处理15min，以去除pdms预聚物中的气泡，然后使用均胶机将pdms预聚物旋涂在单抛硅片基底上，最后在80℃下加热120min使pdms固化，得到柔性衬底。在该实施例中，可通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数得到不同厚度的柔性衬底。柔性衬底的厚度可根据实际需要设置。例如，柔性衬底的厚度为0.3mm至2mm，在该实施例中，制得的柔性衬底的厚度为1mm。

(2)先在制得的pdms柔性衬底上设置整体的电极材料层，再图案化该电极材料层，最后形成电极层。电极层的厚度可根据实际情况进行设置。例如，电极层的厚度可为0.05～5μm。在本实施例中，电极层的厚度为0.3μm。

(3)将液态的聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯，滴入超声波震荡器中，通过超声震荡，聚合物可以被打散形成液体微珠，从振荡器底部的出口排出，并沉积到位于振荡器下方的电极层上。当超声振荡器的震荡频率范围为0.1mhz～10mhz，可以制得直径为1-50微米的液体微珠。

(4)将液态的聚二甲基硅氧烷(pdms)的预聚物涂覆在附着有前述聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯液体微珠的表面。对该预聚物加温固化，加温时间为0.5～4小时，加热温度60～120℃。由此，形成了柔性表层。

(5)将上述步骤得到的结构置于水中，以溶解除去聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯液体微珠，得到具有凹坑阵列的柔性表层。

(6)将上述步骤得到的结构浸入n-甲基吡咯烷酮或丙酮内，柔性衬底pdms对n-甲基吡咯烷酮或丙酮具有吸胀作用，吸胀后的pdms会发生变形并产生内应力从而从基底表面剥离，得到该柔性电化学器件。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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。