基于液态金属的电路转换单元、电子器件及pH值调控设备的制作方法

本实用新型涉及柔性电路制造技术领域，特别是涉及一种基于液态金属的电路转换单元、电子器件及pH值调控设备。

背景技术：

目前以液态金属作为原材料的制备的柔性电路或器件，主要方式是通过在有机聚合物中制备沟槽后，注入液态金属后进行密封，形成液态金属柔性电路。液态金属在柔性电路中只起到柔性导线的作用，模式的转换和信号的调控主要通过芯片或单片机程序实现，这样通过芯片或单片机程序改变电子器件模式的转换和信号调控的方式成本较高，且结构较复杂。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前的柔性电路或器件模式的转换和信号的调控主要通过芯片或单片机程序实现，这样通过芯片或单片机程序改变电子器件模式的转换和信号调控的方式成本较高，且结构较复杂的问题，提供一种基于液态金属的电路转换单元、电子器件及pH值调控设备。

一种基于液态金属的电路转换单元，包括：

形状记忆聚合物层，

所述形状记忆聚合物层为单层结构，所述形状记忆聚合物层的表面开设有凹槽；

基底，所述基底用于与所述凹槽配合形成腔体；

液态金属，所述液态金属封闭于所述腔体中；

其中，所述形状记忆聚合物层改变自身形状，以改变所述腔体的形状，从而改变液态金属于所述形状记忆聚合物层的分布，所述液态金属根据所述形状记忆聚合物的不同分布构成不同的导电路径。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物包括热致变形聚合物、电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种或多种。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物为化学刺激变形聚合物。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物包括聚两性电解质水凝胶以及聚丙烯酰胺中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述形状记忆聚合物层与所述液态金属接触的表面设置控制液态金属接触角的改性层。

在其中一个实施例中，所述改性层为金属无机物层或高分子有机物层。

在其中一个实施例中，所述基于液态金属的电路转换单元还包括储液区，所述形状记忆聚合物层变形时，所述储液区能够容纳所述形状记忆聚合物层变形挤出的所述液态金属。

一种电子器件，包括输出端、接收端以及上述基于液态金属的电路转换单元，所述接收端和输出端伸入所述形状记忆聚合物层，并能够和所述液态金属电导通，所述形状记忆聚合物层的形状改变能够控制所述输出端和接收端之间的通断。

一种pH值调控设备，包括多个pH值响应器以及与所述pH值响应器对应的电子器件，所述电子器件为上述电子器件，所述电子器件控制对应的pH值响应器的电源的通断。

在其中一个实施例中，多个所述电子器件的形状记忆聚合物层的形变pH值不同。

上述可基于液态金属的电路转换单元、电子器件及pH值调控设备使用形状可随外部条件变化的形状记忆聚合物，且形状记忆聚合物层为单层结构，所述形状记忆聚合物层的表面开设有凹槽，还包括与所述凹槽配合形成腔体的基板，将液态金属封闭于所述腔体中，使形状记忆聚合物层中的液态金属形成的导电路径随所述形状记忆聚合物层形状的变化而变化，以改变导电路径的连接方式，从而实现器件的模式转换，结构简单，成本较低，通用性强。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的基于液态金属的电路转换单元的示意图；

图2为本实用新型另一实施例的基于液态金属的电路转换单元的示意图；

图3为本实用新型一实施例的电子器件工作过程的示意图；

图4为本实用新型一实施例的电子器件工作过程的示意图；

图5为本实用新型一实施例的pH值调控设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

请一并参阅图1及图2，图1为本实用新型一实施例的基于液态金属的电路转换单元的示意图，图2为本实用新型另一实施例的基于液态金属的电路转换单元的示意图。

在本实施例中，所述基于液态金属的电路转换单元包括形状记忆聚合物层110、改性层120、液态金属130。所述形状记忆聚合物层110为单层结构，所述形状记忆聚合物层的表面开设有凹槽。在本实施例中，所述形状记忆聚合物通过化学合成方法制备而成。

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers，简称SMP)，是指具有初始形状的制品在外力条件下改变其初始形状并固定后，通过外界条件(如热、电、光、化学刺激等)下又可以恢复其初始状态的高分子材料。目前，形状记忆聚合物作为一种新型的智能材料在很多领域如MEMS，医疗，生物工程等得到了广泛的应用。与形状记忆合金相比、形状记忆聚合物作为一种新型的高分子功能性材料，具有质量轻、形变范围大，易于工业加工，价格经济等特点。

液态金属除了具有无毒的优点外，它还具有粘度低，导电率可调，不易蒸发等特点。同时液态金属热扩散速度比固态金属更快，不易收到局部环境温度突变的影响。目前使用较为广泛的液态金属有Galinstan和EGaln两种。Galinstan由Ga，In，Sn三种元素组成。Galinstan作为能够代替汞的液态金属材料已经应用于体温计、冷却剂以及MEMS器件当中。Galinstan在空气中易被氧化，所以在制造过程中封装工艺对器件的性能十分重要。EGaln是与GaLinstan的共晶合金，由Ga和In两种元素组成，可用于电子器件和电路的制备当中。同时可以通过掺杂少量氧化镓去调控液态金属的粘度和电导率，并有效降低表面张力。

可以理解的，所述形状记忆聚合物层110在外界条件不变时是刚性的，能够起到自支撑作用。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110为单层结构，所述形状记忆聚合物层的表面开设有凹槽，还包括基底150，所述基底150用于与所述凹槽配合形成腔体111，所述液态金属130封闭于所述腔体中，形成导电路径。可以理解的，所述腔体111贯穿所述形状记忆聚合物层110时，需要在所述腔体111的出口和入口处设置挡板，以使所述液态金属130封闭在所述形状记忆聚合物层内。在其它实施例中，所述腔体111可以不贯穿所述形状记忆聚合物层110，即在腔体111两端保留部分形状记忆聚合物层110以对所述液态金属130起到封闭作用。

具体地，所述形状记忆聚合物为化学刺激变形聚合物，可以根据环境pH值的变化改变形状，所述腔体111的形状根据所述形状记忆聚合物的形状改变而改变，所述液态金属130形成的导电路径随所述腔体111的形状的改变而改变，因此当所述形状记忆聚合物层110的形状改变时，所述液态金属130形成的导电路径也发生改变，功能也会发生变化。

具体地，所述化学刺激变形聚合物可以为聚两性电解质水凝胶、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸-聚乙烯亚胺共聚物、石墨烯与壳聚糖符合水凝胶材料中的一种或多种。在其它实施例中，所述化学刺激变形聚合物还可以为其它材料，只需达到根据环境pH值的变化改变形状的效果即可。

在其它实施例中，所述形状记忆聚合物可以为电致变形聚合物、光致变形聚合物以及化学刺激变形聚合物中的任意一种，可根据电、光、化学刺激等外部条件的变化改变形状。在本实施例中，所述液态金属130通过注入的方式封闭于所述形状记忆聚合物层110中。在其它实施例中，所述液态金属130可以通过其它方式封闭于所述形状记忆聚合物层110中，只需将所述液态金属130封闭于所述形状记忆聚合物层110中即可。

具体地，当所述形状记忆聚合物为电致变形聚合物时，所述形状记忆聚合物层的形状随电压的改变而改变。示例性地，所述形状记忆聚合物可以为碳纳米管-聚氨酯复合电响应材料、碳黑-聚己内脂复合电响应材料或者四氧化三铁掺杂的聚四亚甲基醚二醇与二异氰酸酯偶联的共聚物磁响应材料中的一种或多种材料。在其它实施例中，所述电致变形聚合物还可以为其它材料，只需达到所述形状记忆聚合物层的形状随电压的改变而改变的效果即可。

具体地，当所述形状记忆聚合物为光致变形聚合物时，所述形状记忆聚合物层的形状随光线波长的改变而改变。示例性地，所述形状记忆聚合物可以为偶氮苯侧链的聚乙烯醇PVA单分子膜、交联的聚丙烯酸乙酯材料或者6Az10-PAA、尼龙66膜材料中的一种或多种材料。在其它实施例中，所述光致变形聚合物还可以为其它材料，只需达到所述形状记忆聚合物层的形状随光线波长的改变而改变的效果即可。

在其它实施例中，所述液态金属130还可以形成具有一定功能的器件，如雷达或信号发射器等圆盘状金属器件。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110与所述液态金属130接触的一面为内表面，所述形状记忆聚合物层110远离所述液态金属130的一面为外表面。

在本实施例中，所述形状记忆聚合物层110内表面设置控制液态金属接触角的改性层120，用于增大所述形状记忆聚合物层110与所述液态金属130之间的接触角，提高所述液态金属130在形状记忆聚合物层110之间的流动性。在本实施例中，所述改性层120通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的方法设置在所述形状记忆聚合物层110内表面。在其它实施例中，所述改性层120可以通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)、喷涂或旋涂等方式设置在所述形状记忆聚合物层110内表面。在本实施例中，所述改性层120为金属无机物层，例如具有微孔的氧化铝或氧化锌薄膜。在其它实施例中，所述改性层120可以为高分子有机物层，例如微米级的聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)颗粒层，只需达到使所述改性层120具有控制接触面以控制液态金属接触角，形成可控制液态金属接触角的表面的效果即可。

在本实施例中，所述基于液态金属的电路转换单元还包括储液区，所述储液区设置于所述形状记忆聚合物层110中，所述形状记忆聚合物层110变形时，所述储液区能够容纳所述形状记忆聚合物层110变形挤出的所述液态金属130。

请一并参阅图3及图4，图3及图4为本实用新型的实施例的电子器件工作过程的示意图。

在图3所示的实施例的电子器件中，包括输出端、接收端以及上述基于液态金属的电路转换单元，所述接收端和输出端通过固体导线140伸入所述形状记忆聚合物层110，并能够和所述液态金属130电导通，所述形状记忆聚合物层110的形状改变能够控制所述输出端和接收端之间的通断。改变所述形状记忆聚合物层110的环境pH值状态时，所述形状记忆聚合物层110发生变形和挤压，所述腔体111随形状记忆聚合物层110的变形和挤压而改变形状，液态金属130分布在所述形状记忆聚合物110的腔体111中，此时，信号输出端与信号接收端A通过所述液态金属130导通，信号接收端B被阻断，无信号输入。

图4所示的实施例的电子器件为图2所示的实施例的电子器件进行改变环境pH值之后的状态，改变所述形状记忆聚合物层110的环境pH值，则所述形状记忆聚合物层110随环境pH值的变化发生变形和挤压，所述腔体111随形状记忆聚合物层110的变形和挤压而改变形状，液态金属130分布在所述形状记忆聚合物110的腔体111中，随着所述形状记忆聚合物110的变形和挤压改变连接方式，此时，信号输出端与信号接收端B通过所述液态金属130导通，信号接收端A被阻断。

在图3及图4所示的实施例中，所述电子器件仅包括2个信号接收端和1个信号输出端。在其它实施例中，信号输出端和信号接收端可以为多个，液态金属130构成的导电路径也不局限于小型电路，通过形状记忆聚合物层110层数、连接点和精细的外部条件控制，可以完成大规模的电路的信号发射的转换。信号转换模式也不局限于上述简单的形式，通过多层形状记忆聚合物层110的联合变化，可以完成复杂的串联，并联，与非门等复杂的电路形式。

可以理解的，当所述形状记忆聚合物为电致变形聚合物或光致变形聚合物时，所述电子器件的工作状态随电压或光线波长改变而改变。

请参阅图5，图5为本实用新型的实施例的pH值调控设备的示意图。

在本实施例中，所述pH值调控设备包括2个pH值响应器和2个上述电子器件，所述pH值响应器用于在接通电源时放出pH值调控物质以调控环境pH值，2个pH值响应器通过固体导线140和对应的所述电子器件与电源相连，每个pH值响应器处设置有一个电子器件，所述pH值响应器通过所述电子器件中的液态金属130与电源相连，所述电子器件控制对应的pH值响应器的电源的通断。pH值响应器从下至上依次为第一pH值响应器和第二pH值响应器，对应的电子器件为第一电子器件和第二电子器件，所述第一电子器件和第二电子器件的形状记忆聚合物层110的形变pH值不同。示例性地，所述第一电子器件的形状记忆聚合物层110在环境pH值在1.0-5.0之间时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第一电子器件中的液态金属130向储液区流动，第一电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第一pH值响应器的阻断。示例性地，所述第二电子器件的形状记忆聚合物层110在环境pH值在3.0-12.0之间时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第二电子器件中的液态金属130向储液区流动，第二电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第二pH值响应器的阻断。当环境pH值在3.0-5.0之间时，第一电子器件和第二电子器件都是处于挤压排出液态金属130的状态，第一pH值响应器和第二pH值响应器不放出pH调控物质，不影响环境的pH值。当环境pH值小于3.0时，第二电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第二电子器件形状记忆聚合物层110覆盖区域，第二pH值响应器通电，释放碱性pH中和物，当pH值恢复到3.0和5.0之间时，第二电子器件的形状记忆聚合物再次变形，排出液态金属130，隔断第二pH值响应器。当环境pH值大于5.0时，第一电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第一电子器件形状记忆聚合物层110覆盖区域，第一pH值响应器通电，释放酸性pH中和物，当pH值恢复到3.0和5.0之间时，第一电子器件的形状记忆聚合物再次变形，排出液态金属130，隔断第一pH值响应器。可以理解的，通过这种调控方式，可以将环境pH值控制在3.0到5.0之间。

在其它实施例中，所述pH值响应器的个数、形变pH值范围可以根据实际情况进行变化，以将环境pH值控制在设定范围内。

在其它实施例中，当所述形状记忆聚合物为电致变形聚合物时，所述电子器件可以应用于一种保险丝装置，所述保险丝装置包括2个电致响应器和2个上述电子器件，所述电致响应器用于在接通电源时通电使电路导通，2个电致响应器通过固体导线140和对应的所述电子器件与电源相连，每个电致响应器处设置有一个电子器件，所述电致响应器通过所述电子器件中的液态金属130与电源相连，所述电子器件控制对应的电致响应器的电源的通断。电致响应器从下至上依次为第一电致响应器和第二电致响应器，对应的电子器件为第一电子器件和第二电子器件，所述第一电子器件和第二电子器件的形状记忆聚合物层110的形变电压不同。示例性地，所述第一电子器件的形状记忆聚合物层110在外部电压大于5V时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第一电子器件中的液态金属130向储液区流动，第一电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第一电致响应器的阻断。示例性地，所述第二电子器件的形状记忆聚合物层110在外部电压大于10V时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第二电子器件中的液态金属130向储液区流动，第二电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第二电致响应器的阻断。当外部电压大于10V时，第一电子器件和第二电子器件都是处于排出液态金属130的状态，第一电致响应器和第二电致响应器均不触发，作为保险丝阻断电路。当电压在5V到10V之间时，第一电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第一电子器件形状记忆聚合物覆盖区域，第一电致响应器通电，激活对应器件。当外部电压小于5V时，第二电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第二电子器件形状记忆聚合物覆盖区域，第二电致响应器通电，激活对应器件。可以理解的，所述保险丝装置可以用于控制外部电压的大小。

在其它实施例中，当所述形状记忆聚合物为光致变形聚合物时，所述电子器件可以应用于一种光线防护设备，所述光线防护设备包括2个光致响应器和2个上述电子器件，所述光致响应器用于在接通电源时通电使电路导通，以对光线进行防护，2个光致响应器通过固体导线140和对应的所述电子器件与电源相连，每个光致响应器处设置有一个电子器件，所述光致响应器通过所述电子器件中的液态金属130与电源相连，所述电子器件控制对应的光致响应器的电源的通断。光致响应器从下至上依次为第一光致响应器和第二光致响应器，对应的电子器件为第一电子器件和第二电子器件，所述第一电子器件和第二电子器件的形状记忆聚合物层110的形变环境光波长不同。示例性地，所述第一电子器件的形状记忆聚合物层110在环境光波长为365nm和436nm时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第一电子器件中的液态金属130向储液区流动，第一电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第一光致响应器的阻断。示例性地，所述第二电子器件的形状记忆聚合物层110在环境光波长为365nm时，会产生形变，对液态金属130进行挤压，第二电子器件中的液态金属130向储液区流动，第二电子器件中的液态金属130全部进入储液区后，实现对所述第二光致响应器的阻断。当环境光波长大于436nm时，第一电子器件和第二电子器件都是处于排出液态金属130的状态，第一光致响应器和第二光致响应器均不触发，不对环境进行调节。当环境光波长触发436nm而大于365nm时，第一电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第一电子器件形状记忆聚合物覆盖区域，第一光致响应器通电，激活对应器件，以对光线进行防护。当环境光波长触发365nm时，第二电子器件的形状记忆聚合物恢复原状，液态金属130流入第二电子器件形状记忆聚合物覆盖区域，第二光致响应器通电，激活对应器件，以对光线进行防护。可以理解的，所述光线防护设备可以对特定波段的光线进行防护。

上述基于液态金属的电路转换单元、电子器件及pH值调控设备使用形状可随外部条件变化的形状记忆聚合物，使形状记忆聚合物层中的液态金属形成的导电路径随所述形状记忆聚合物层形状的变化而变化，以改变导电路径的连接方式，从而实现器件的模式转换，结构简单，成本较低，通用性强。另外，液态金属和形状记忆聚合物具有很高的耐弯折性、可拉伸性，可与柔性可穿戴设备良好的结合。再次，形状记忆聚合物和液态金属相比传统器件质量轻且便携。最后，在形状记忆聚合物没变形的情况下，液态金属无明显约束，无法表达特定功能，而在特定的条件刺激下可以实现液态金属的图形化，完成特定功能的输出，具有一定的保密性和隐蔽性，如制备隐蔽的雷达或发射器等，具有一定的军事应用前景。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。