专利名称：柔性基底薄膜表面微结构的形成方法
技术领域：
本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种柔性基底薄膜表面微结构的形成方法。
背景技术：
随着柔性电路和柔性器件的逐渐推广应用，柔性结构设计和优化尤为重要。柔性传感器，激振器和柔性电子电路等是目前正在兴起的一个重要学科领域。利用柔性基底薄膜结构表面屈曲实现柔性结构在服役过程中的功能是已经广泛采用的一种手段。NedBowden等通过在柔性基底PDMS表面镀金膜，镀膜过程中产生的温度变化，使得薄膜基底系统自发性地发生屈曲褶皱。后续有诸多学者从理论和实验对这种薄膜基底系统由于失配应变引起的屈曲进行了研究。从本质上来说，屈曲的发生是由于薄膜和柔性基底之间的弹性常数相差甚远所致。一般薄膜的弹性模量比基底高两三个量级。实验上，通过对热膨胀的PDMS表面进行氧等离子体改性处理后，在其表面形成一层较厚的薄膜。待冷却后PDMS收缩产生的失配应变在薄膜表面形成裙皱。Edwin P等(Edwin P等，Soft matter, 2 (2006)324 - 328)通过对PDMS进行紫外臭氧老化处理改变表面一层薄膜的模量，再将其置于乙醇蒸汽中，使得PDMS表面发生屈曲裙皱。Cunjiang Yu等(Cunjiang Yu等,APPLIED PHYSICSLETTERS,96 (2010)041111)通过对预拉伸的PDMS进行紫外氧化处理后，释放PDMS使其表面发生屈曲，通过改变预拉伸的幅度控制屈曲的波长和幅值，这种表面形成的周期性结构可以作为光学光栅使用。以上这几种实验方法均不能实现在PDMS表面选择性地发生褶皱屈曲。而对于柔性器件的设计来说，有选择性地在表面设计微结构尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，可在柔性基底薄膜表面选择性地发生褶皱屈曲，操作简单，易于实现。根据本发明实施例的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，包括如下步骤:S1:绘制曲线图形并制备光刻掩膜；S2:利用所述光刻掩膜，光刻石英玻璃；S3:在图形化的石英玻璃上浇铸柔性基底预聚体，然后固化得到图形化的柔性基底并剥离；以及S4:在图形化的柔性基底上镀金属膜。优选地，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺中的一种或多种的组合。优选地，所述金属膜为铝、铜或金中的一种或多种的组合。优选地，所述所述曲线图形的曲线半径为150-450微米，曲线间隔为50-450微米。优选地，所述曲线图形为多条平行的波浪线。优选地，相邻的两条所述波浪线凹凸起伏的顺序相同或相反。优选地,所述金属膜的厚度为100-300nm。本发明的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，在柔性基底材料表面形成曲线结构，再在基底上镀膜，由于温度变化产生热应力，曲线结构引导薄膜内的应力分布，可以通过设计不同曲率、间距和形状的曲线结构，控制褶皱屈曲发生的区域和幅度，该方法操作简单，易于实现。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:图1为本发明实施例的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法的流程图；图2为CAD绘制的不同圆弧半径、曲线间距和形状的曲线图案；图3为图像化的石英玻璃上的曲线图案；图4为PDMS基底铝膜系统褶皱屈曲的SEM扫描图；图5为超景深光学显微镜下观察的基底薄膜褶皱屈曲形貌；图6为Abaqus软件模拟基底上曲线图形引导的应力分布趋势图。
具体实施例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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。图1为本发明实施例的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法的流程图，图2为CAD绘制的不同圆弧半径、曲线间距和形状的曲线图案，图3为图像化的石英玻璃上的曲线图案，图4为柔性基底铝膜系统褶皱屈曲的SEM扫描图，图5为超景深光学显微镜下观察的基底薄膜褶皱屈曲形貌，图6为Abaqus软件模拟基底上曲线图形引导的应力分布趋势。如图1所示，本发明的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，包括如下步骤:S1:绘制曲线图形并制备光刻掩膜。一般地，曲线图形的曲线半径为150-450微米，曲线间隔为50-450微米。在本发明的一个实施例，曲线图形为多条平行的波浪线。相邻的两条波浪线凹凸起伏的顺序相同或相反。S2:利用光刻掩膜，光刻石英玻璃。S3:在图形化的石英玻璃上浇铸柔性基底预聚体，然后固化得到图形化的柔性基底并剥离。具体地，柔性基底为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺中的一种或多种的组合。S4:在图形化的柔性基底上镀金属膜。具体地，金属膜为铝、铜或金中的一种或多种的组合，金属膜的厚度为100_300nm。为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面将结合图2至图6对图1进行详细说明。首先设计不同的曲线结构，采用CAD软件绘制曲线图形。本发明实施例以圆弧曲线为例，圆弧半径可以为200um、300um、400um等，曲线间距可以为100um、200um、400um等，绘制的曲线图案如图2所示。除圆弧曲线外，同样也可以采用其它形式的曲线。接着将曲线图形制作在菲林胶片上，曲线线宽为20um，菲林胶片作为光刻掩膜。接着在厚度为Imm的石英玻璃上甩涂光刻胶,甩胶速度3000r/min,时间lmin。曝光之前进行前烘，烘台100°C下烘5min。然后将烘烤后的光刻胶进行紫外曝光，将前面得到的菲林胶片作为掩膜装卡在紫外曝光机上进行曝光，曝光时间30s，菲林胶片为正片，即有图形的地方不透光，所以光刻胶被曝光的地方为没有曲线图形的区域。曝光之后再进行烘烤，时长lmin。显影，显影液为5%。的NaOH溶液，显影时长10s，显影后石英玻璃上显现光刻胶曲线图形，随后对石英玻璃片进行冲洗，将石英玻璃进行烘烤。采用稀释的氢氟酸溶液对石英玻璃进行腐蚀，将曲线图案转移到石英玻璃上，再用丙酮清洗石英玻璃，去除残留的光刻胶，得到有曲线图案的石英模板。图形化的石英玻璃上得到的曲线图案如图3所示。然后将聚二甲基娃氧烧(polydimethylsiloxane, PDMS)预聚体与固化剂按比重10:1混合，搅拌均匀并置于离心机内甩胶，待混合液内部气泡基本甩出后,将PDMS混合液直接浇铸在石英玻璃上。置于烘箱内，在70°C下保温Ih固化，将固化后的PDMS从石英玻璃上揭下，曲线图案复制在PDMS上，得到图形化的PDMS基底。最后采用热蒸镀的方法在PDMS基底上镀铝膜，本发明实施例中铝膜厚度为200nm,在SEM下得到的镀完铝膜后的PDMS表面如图4所示，在超景深光学显微镜下进一步放大可以明显地看到形成的褶皱屈曲如图5所示。铝膜的厚度随镀膜时长可控，可根据需要在100-300nm范围内调整铝膜的厚度，随着镀膜厚度的不同，褶皱屈曲的波长和幅度也不同，此外，最初CAD绘制曲线过程中设计不同曲率和形状的曲线结构，可以控制薄膜褶皱屈曲的幅度和区域。我们采用计算机模拟柔性基底表面曲线结构对应力分布的影响。采用有限元软件Abaqus模拟，对模型施加压应力仿真PDMS基底内的压应力。为了简化图6所建模型为旋转轴对称模型，圆形基底上有一同心凹槽，图6 (a)给出了沿径向的环向应力分布图。从应力云图可以看出，在曲线的凹侧靠近凹槽压应力减小趋近于0，在曲线的凸侧靠近凹槽压应力呈增大趋势，在曲线的凸侧压应力最大，沿径向的褶皱屈曲容易发生，而在凹侧，压应力可以抑制沿径向的屈曲褶皱的发生。从图4和图5中(特别是其中的左图)可以看出褶皱屈曲均发生在曲线凸侧，而凹侧则没有发生褶皱屈曲。本发明的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，在柔性基底材料表面形成曲线结构，再在基底上镀膜，由于温度变化产生热应力，曲线结构引导薄膜内的应力分布，可以通过设计不同曲率、间距和形状的曲线结构，控制褶皱屈曲发生的区域和幅度，该方法操作简单，易于实现。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
权利要求
1.一种柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，包括如下步骤: S1:绘制曲线图形并制备光刻掩膜； S2:利用所述光刻掩膜，光刻石英玻璃； S3:在图形化的石英玻璃上浇铸柔性基底预聚体，然后固化得到图形化的柔性基底并剥离；以及 S4:在图形化的柔性基底上镀金属膜。
2.根据权利要求1所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，所述金属膜为铝、铜或金中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，所述曲线图形的曲线半径为150-450微米，曲线间隔为50-450微米。
5.根据权利要求1所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，所述曲线图形为多条平行的波浪线。
6.根据权利要求5所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，相邻的两条所述波浪线凹凸起伏的顺序相同或相反。
7.根据权利要求1所述的柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，其特征在于，所述金属膜的厚度为100-300nm。
全文摘要
本发明提出一种柔性基底薄膜表面微结构的形成方法，包括绘制曲线图形并制备光刻掩膜；利用光刻掩膜，光刻石英玻璃；在图形化的石英玻璃上浇铸柔性基底预聚体，然后固化得到图形化的柔性基底并剥离；以及在图形化的柔性基底上镀金属膜。本发明在柔性基底材料表面形成曲线结构，再在基底上镀膜，由于温度变化产生热应力，曲线结构引导薄膜内的应力分布，可以通过设计不同曲率、间距和形状的曲线结构，控制褶皱屈曲发生的区域和幅度，该方法操作简单，易于实现。
文档编号B81C1/00GK103204459SQ201310088719
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者殷雅俊, 吴丹, 谢惠民 申请人:清华大学