一种金属复合柔性衬底及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属复合柔性衬底及其制备方法 (Metal composite flexible substrate and preparation method thereof ) 是由 杨卓青 李梦秋 李亚辉 王艳 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及柔性衬底技术领域,提出一种金属复合柔性衬底及其制备方法。该衬底包括：聚合物结构；以及金属微结构,其与所述聚合物结构交错间隔布置；其中,所述聚合物结构和所述金属微结构的厚度相同,并且通过所述聚合物结构和所述金属微结构的宽度、宽度比例以及布置方向确定所述金属复合柔性衬底的热膨胀系数各向异性。该衬底的制备方法中包含了对金属与聚合物之间的界面进行修饰与改性设计,可以实现金属微结构与聚合物结构之间良好、稳定、可靠的界面结合。通过该衬底表现出的热膨胀各向异性并且可调控性,使得柔性电阻式应变传感器可以摆脱因环境温度变化造成衬底的额外形变的影响,从而确保电阻式应变传感器在特定方向上探测的精准度。(The invention relates to the technical field of flexible substrates, and provides a metal composite flexible substrate and a preparation method thereof. The substrate includes: a polymer structure; and metal microstructures which are arranged in a staggered and spaced mode with the polymer structure; wherein the thicknesses of the polymer structure and the metal microstructure are the same, and the thermal expansion coefficient anisotropy of the metal composite flexible substrate is determined by the widths, the width ratios and the arrangement directions of the polymer structure and the metal microstructure. The preparation method of the substrate comprises the modification and modification design of the interface between the metal and the polymer, and can realize good, stable and reliable interface combination between the metal microstructure and the polymer structure. The thermal expansion anisotropy and the adjustability of the substrate are realized, so that the flexible resistance-type strain sensor can get rid of the influence of extra deformation of the substrate caused by the change of the environmental temperature, and the detection accuracy of the resistance-type strain sensor in a specific direction is ensured.)
技术领域
本发明总的来说涉及柔性衬底技术领域。具体而言，本发明涉及一种金属复合柔性衬底及其制备方法。
背景技术
通常而言，柔性电阻式应变传感器的基底需要采用各向同性的有机材料作为柔性衬底，在外力作用下柔性电阻式应变传感器的敏感结构产生机械变形以便进行探测。
但柔性衬底受到环境温度变化会发生热胀冷缩，因此柔性电阻式应变传感器受热影响较为明显，柔性衬底受温度影响发生形变时将传递给敏感结构造成额外形变，进而影响电阻式应变传感器在特定方向的探测准确性。
针对上述环境温度带来的柔性衬底各向同性热膨胀变化势影响柔性电阻式应变传感器在特定方向上的应变测量的问题，现有技术中通常使用电桥实现温度补偿。然而该方法存在需要较多传感器并且电路匹配设计复杂的问题。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种金属复合柔性衬底，包括：
聚合物结构；以及
金属微结构，其与所述聚合物结构交错间隔布置；
其中，所述聚合物结构和所述金属微结构的厚度相同，并且通过所述聚合物结构和所述金属微结构的宽度、所述聚合物结构与所述金属微结构之间的宽度比例以及所述聚合物结构和所述金属微结构的布置方向确定所述金属复合柔性衬底的热膨胀系数各向异性及可调控性。
在本发明一个实施例中规定，所述金属微结构包括：
微结构沟槽；
金属种子层，其位于所述微结构沟槽底部；以及
填充金属，其填充所述微结构沟槽。
在本发明一个实施例中规定，所述聚合物结构的材料包括聚酰亚胺。
在本发明一个实施例中规定，所述金属种子层包括铬金属层以及铜金属层；和\或
所述填充金属的材料包括铜。
在本发明一个实施例中规定，所述聚合物结构和所述金属微结构的厚度为5-200μm。
在本发明一个实施例中规定，所述聚合物结构的宽度为10-3000μm；和\或
所述金属微结构的宽度为10-300μm；和\或
所述聚合物结构与所述金属微结构之间的宽度比例为300∶1至1∶1。
在本发明一个实施例中规定，所述金属微结构与所述金属复合柔性衬底边缘处的所述聚合物结构平行布置；和\或
所述金属微结构与所述金属复合柔性衬底边缘处的所述聚合物结构呈倾斜角度布置。
本发明还提出一种制备所述金属复合柔性衬底的方法，其特征在于，包括下列步骤：
在基底上涂覆聚合物前驱体溶液并且烘干以构造聚合物层；
在所述聚合物层上涂覆光刻胶并且烘干以构造光刻胶层；
将光刻掩模版置于所述光刻胶层上并且进行曝光；
将所述光刻胶层浸入显影液中进行图案化并且烘干以构造微结构沟槽，其中所述微结构沟槽与聚合物结构交错间隔布置；
在所述微结构沟槽以及所述光刻胶层上构造金属种子层；
去除所述聚合物层上方的光刻胶层及其上方的金属种子层；
在所述微结构沟槽内填充金属以构造金属微结构；以及
剥离所述基底以获得所述金属复合柔性衬底。
在本发明一个实施例中规定，通过旋转涂抹法涂敷所述聚合物前驱体溶液或者涂覆光刻胶；和\或
通过磁控溅射法构造所述金属种子层；和\或
通过电镀法在所述微结构沟槽内填充金属。
本发明还提出一种柔性电阻式应变传感器，其具有所述金属复合柔性衬底。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明在传统柔性聚合物上辅以有序排布的金属微结构以构造出一种热膨胀各向异性可调控的复合金属衬底。
本发明采用MEMS工艺来制备柔性金属复合衬底，衬底结构可以包括聚酰亚胺膜、溅射铬金属薄层和铜金属薄层、电镀铜金属沟槽。金属复合柔性衬底的制备方法包含了对金属与聚合物之间的界面进行修饰与改性设计，通过微结构嵌入与金属表面微纳加工修饰，可以实现金属微结构与聚合物结构之间良好、稳定、可靠的界面结合。
本发明在柔性聚合物衬底上嵌入金属微结构，以简单和便捷工艺过程制备出复合柔性衬底，衬底表现出热膨胀各向异性并且可调控性，使得柔性电阻式应变传感器可以摆脱因环境温度变化造成衬底的额外形变的影响，从而确保电阻式应变传感器在特定方向上探测的精准度。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1和图2分别示出了本发明一个实施例中的金属复合柔性衬底的结构示意图。
图3示出了本发明一个实施例中制备金属复合柔性衬底的流程示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
图1示出了本发明一个实施例中的金属复合柔性衬底的结构示意图。如图1所示，所述金属复合柔性衬底包括聚合物结构101以及金属微结构102。
所述聚合物结构101与所述金属微结构102交错间隔布置，所述聚合物结构101和所述金属微结构102的厚度相同，并且通过所述聚合物结构 101和所述金属微结构102的宽度、所述聚合物结构101与所述金属微结构102之间的宽度比例以及所述聚合物结构101和所述金属微结构102的布置方向可以确定所述金属复合柔性衬底的热膨胀系数各向异性及可调控性。
所述聚合物结构101和所述金属微结构102的厚度可以为5-200μm。所述聚合物结构的宽度可以为10-3000μm，所述金属微结构的宽度可以为10-300μm，所述聚合物结构101与所述金属微结构102之间的宽度比例可以为300∶1至1∶1可调。如图1所示所述金属微结构102可以与金属复合柔性衬底边缘处的所述聚合物结构101平行布置，也可以如图2所示金属微结构202与所述金属复合柔性衬底边缘处的所述聚合物结构201呈倾斜角度布置。
聚合物结构的材料可以是聚酰亚胺，在没有金属微结构加入的情况下，当环境温度升高时聚合物材料的柔性衬底在平面内各方向的热膨胀特性是一致的，表现出各向同性。而本发明的各实施例中将所述金属微结构与所述聚合物结构构造为复合结构，由于金属的热膨胀系数小于聚合物的热膨胀系数，所述聚合物结构沿垂直布置方向可以自由膨胀，但受到两侧金属微结构的制约导致其沿布置方向的膨胀将受到限制，从而改变了衬底在平面内各方向的热膨胀特性，使得所述金属复合柔性衬表现出热膨胀系数的各向异性。并且通过调整所述金属微结构与所述聚合物结构的宽度、之间的宽度比例以及布置方向可以进一步实现热膨胀系数的各向异性的可调控性。
所述金属微结构可以包括微结构沟槽、金属种子层以及填充金属，其中所述金属种子层位于所述微结构沟槽底部，所述填充金属填充所述微结构沟槽。所述金属种子层可以包括铬金属层以及铜金属层，所述填充金属的材料包括铜。
本发明还提出一种热膨胀各向异性可调控的金属复合柔性衬底的制备方法。其中以微机电系统加工技术(MEMS)为基础，采用室温下在基底上经旋涂、光刻、显影、磁控溅射、去除光刻胶和电镀等工艺制作复合衬底。
具体而言，如图3所示，在本发明一个实施例中还提出一种制备所述金属复合柔性衬底的方法，包括下列步骤：
在基底301上涂覆聚合物前驱体溶液并且烘干以构造聚合物层302。在此，术语“聚合物前驱体”是指聚合物材料固化前的存在形式。其中，所述基底301可以是晶圆衬底、石英或者玻璃，涂敷聚合物前驱体溶液的方法可以是旋转涂抹法。
在所述聚合物层302上涂覆光刻胶并且烘干以构造光刻胶层303。其中涂敷光刻胶的方法也可以是旋转涂抹法。
将光刻掩模版置于所述光刻胶层303上并且进行曝光。
将所述光刻胶层303浸入显影液中进行图案化并且烘干以构造多个微结构沟槽305，其中多个所述微结构沟槽305与多个聚合物结构交错间隔布置。
在所述微结构沟槽以及所述光刻胶层303上构造金属种子层304，其中可以通过磁控溅射法构造金属种子层304，所述金属种子层304可以包括铬金属层以及铜金属层。
去除所述聚合物层302上的光刻胶层303以及其上方的金属种子层 304.
通过电镀法在所述微结构沟槽内填满填充金属306以构造金属微结构，填充金属306可以是铜。
以及剥离所述基底301以获得所述金属复合柔性衬底。
上述金属复合柔性衬底的制备方法中包含了对金属与聚合物之间的界面进行修饰与改性设计，通过微结构嵌入与金属表面微纳加工修饰，使其能够实现与衬底之间良好、稳定、可靠的界面结合。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
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