电致变形薄膜阵列、其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种电致变形薄膜阵列、其制备方法及应用，属于材料科学领域。
【背景技术】
[0002]电致变形薄膜材料一种离子型电致动变形材料，具有质量轻、柔韧性好、驱动电压低、反应迅速和大变形等突出优点，可用于制作变形装置，也可用于力学传感装置，是近二十年来崛起且具有极大应用潜力的新型智能材料。
[0003]电致变形薄膜材料通常以条状或者块状整体使用，例如日本EAMEX公司开发了一种机器鱼产品，利用条状材料的弯曲变形推动鱼游动；美国环境机器人公司(ERI)利用电致变形薄膜条状材料的反复振动变形模拟鸟的飞翔动作；美国M.Shahinpoor利用多个条状电致变形薄膜材料制作微爪机构(“Design and test of IPMC artificial musclemicrogripper.Journal of Micro-Nano，，,〈〈Mechatronics.)), 2008,4: 95 - 102)。从电致变形薄膜材料的变形特点来看，其变形幅度大而驱动力小，将其用于对驱动力有一定要求的领域，并不能充分发挥其变形优势。
[0004]日本Takagi等人利用该技术制作了多段IPMC材料驱动的水下机器人(“Ananalysis of increase of bending response in IPMC dynamics given uniform input，，，((Proceedings of SPIE)), Vol.6168，616814，2006)，利用分段变形的材料模拟波动推动机器人前进。Guilly等人制作八角形阵列变形单元用于阵列开关(“Naf1n Based SmartMembrane as an Actuator Array，，，《Proceedings of SPIE)),Vol.4695,2002)。电致变形薄膜材料的多电极化能够更好的发挥材料的变形特性，但目前的应用开发较少，主要原因是相关工艺不过完善，主要包括两个方面的工艺:(1)电极单元图形化工艺；(2)电极引线工艺。
[0005]关于电极单元图形化工艺，目前已有一些研究。Nakabo利用激光雕刻的方式在电致变形表面切割电极得到多个电极单元，通过独立控制电极单元获得复杂的驱动特性(“B1-mimetic soft robots with artificial muscles [C]，，，《Proc.0f SPIE》，2004，5648: 132-144)。Rossiter等人利用电火花切割的方式切割电极获得具有多段独立电极的电致变形薄膜材料(“Electrostatic and thermal segmentat1n of mult1-segmentIPMC sensor and actuctors.[C] ”，《Proc.0f SPIE》，2011,7976:C1_C8)。Zhen Chen等人采用MEMS工艺制作覆盖层阻止电极沉积的方法(“Monolithic fabricat1n of1nic polymer - metal composite actuators capable of complex deformat1n.[J]，，，((Sensors and actuators A:Physical》，157 (2): 246-257)。西安交通大学陈花玲等人提出了一种IPMC驱动器的选择性镀工艺(CN102953053A)，结合化学方法沉积电极工艺的特点，来制作单元电极。
[0006]而有关引线方面的工艺方法极少，已有研究中，一种方法是对每个变形单元直接连接电线，由于导线有一定质量和约束力，不仅大大影响了单元的变形，而且电连接稳定性不能得到很好的保证；另一中方法是设计特殊形状的单元结构，将变形单元的电极延伸到薄膜边缘以便于施加电压，这种方法中电极引线会占用一定薄膜面积，不利于进行大规模的阵列设计。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种新型的电致变形薄膜阵列及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。
[0008]为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种电致变形薄膜阵列，包括电极膜、芯层膜、电极阵列以及电连接层，其中，所述电连接层包括:
电连接线路，
分布于电连接线路和电极阵列之间的电气阻隔层，
以及，一个以上电触点；
所述电极膜、芯层膜、电极阵列和电连接层沿设定方向依次层叠设置，并且其中所述电触点一端穿过所述电气阻隔层，并与所述电连接线路的选定位点电性接触，另一端与所述电极阵列上的设定位点电性接触。
[0009]一种电致变形薄膜阵列的制备方法，包括:
提供芯层膜、电极膜及电极阵列；
提供电连接层，包括:
在基体上形成具有设定结构的电连接线路，
在所述电连接线路上形成电气阻隔层，并加电气阻隔层上加工形成一个以上直达电连接线路的通孔，
在该一个以上通孔内加入导电材料，形成一个以上电接触点，且使所述电接触点与电连接线路上的选定位点电性接触；
将所述电极膜、芯层膜、电极阵列与电连接层沿设定方向依次设置，且使所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使该四者结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
[0010]进一步的，该制备方法可以包括:
将所述电极膜、芯层膜与电极阵列沿设定方向依次设置，并热压使该三者结合；
以及，将所述电连接层上的电触点与所述电极阵列上的设定位点对应贴合，并加热加压使所述电连接层与所述电极阵列结合，形成所述电致变形薄膜阵列。
[0011]进一步的，该制备方法还可包括:
在第二衬底上形成电极膜层，并加工形成电极阵列，
以及，在将所述电极膜、芯层膜与电极阵列热压结合后，再除去所述第二衬底。
[0012]进一步的，该制备方法还可包括:
将可塑性聚合物与离子液体分散液涂覆于第一衬底上，蒸发除去溶剂后从所述第一衬底上剥离得到芯层膜，
所述可塑性聚合物包括热塑性聚氨酯或离子聚合物，例如可选自但不限于Naf1n离子膜、Flem1n离子膜。
[0013]进一步的，所述芯层膜的厚度为2(Γ500μπι。
[0014]进一步的，该制备方法还可包括:在第一衬底上涂覆导电材料的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层，所述导电材料可选用但不限于导电纳米颗粒、石墨烯或碳纳米管；
或者，在所述第一衬底上沉积或生长导电材料，形成所述电极膜或电极膜层。
[0015]进一步的，所述导电纳米颗粒可选用但不限于金属纳米颗粒，其材料可选自但不限于Au、Pt、Pd、Ag中的任意一种或两种以上的组合。
[0016]进一步的，该制备方法还可包括:在所述电极膜或电极膜层表面修饰氧化物，例如，如N1，RuO2和MnO2，但不限于此。
[0017]进一步的，该制备方法还可包括:在第一衬底上涂覆含氧化镍与石墨烯和/或碳纳米管的分散液，除去溶剂后获得所述电极膜或电极膜层。
[0018]进一步的，该制备方法还可包括:将所述电极膜或电极膜层置入含铵盐和镍盐的碱性溶液中，退火后获得具有三维结构修饰界面的电极膜或电极膜层。
[0019]进一步的，所述电极膜的厚度为1?20μπι。
[0020]进一步的，所述电极阵列可选用但不限于Au电极阵列，且厚度优选为200nm?2 μ m。
[0021]进一步的，该制备方法还可包括:采用微加工方法对所述电极膜层进行处理，获得电极阵列，所述微加工方法包括激光雕刻、湿法蚀刻或等离子体蚀刻；
或者，采用具有设定图形结构的掩膜板掩盖并溅射导电材料，从而形成所述电极阵列。
[0022]进一步的，所述电极阵列中，任一阵列单元的尺寸为lmm-5cm。
[0023]进一步的，所述阵列单元的形状可选用但不限于方形、矩形、圆形、六边形或其类型形状。
[0024]进一步的，该制备方法还可包括:
提供基体，
结合掩模板在基体上形成至少一导电材料层作为电连接线路，
以及，在所述电连接线路上形成至少一绝缘材料层作为电气阻隔层。
[0025]进一步的，该制备方法还可包括:
结合掩模板，在基体上依次沉积第一金属层和第二金属层，形成电连接线路。
[0026]进一步的，所述基体的厚度优选为f 20 μ m，材料可选自但不限于聚萘二甲酸乙二醇酯。
[0027]进一步的，所述第一金属层可选用但不限于厚度为5nm的铬层。
[0028]进一步的,所述第二金属层可选用但不限于厚度为10nm的Au层。
[0029]进一步的，所述电气阻隔层的厚度优选为0.Γ5 μ m，材料可选用但不限于聚对二甲苯。
[0030]进一步的，在电气阻隔层上加工通孔的方式包括激光烧蚀或等离子体刻蚀。
[0031]进一步的，所述电触点的材料可选用但不限于Au。
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