本研究報告了一種制備液態(tài)金屬圖案化薄膜的方法。通過使用這種方法，可以成功地將非常復雜的液態(tài)金屬電極集成到厚度低至119毫米的薄PDMS薄膜中。采用軟光刻技術實現了微電極通道的高分辨率。相對較薄的電極結構是在我們之前報道的可逆PC膜鍵合技術的幫助下發(fā)展起來的。本工作采用飛秒激光打孔，在通道末端鉆出小孔，使液態(tài)金屬填充過程中空氣逸出，實現了盲端液態(tài)金屬電極結構。本文介紹了微電極的制備工藝及關鍵工序。

此外，利用所制備的微電極設計了可穿戴應變傳感器，以顯示其在柔性電子器件中的應用潛力。

圖1制備的微電極及其性能。(a)薄的液態(tài)金屬基柔性微電極;(b)微電極的側視圖和靈活性(左和中)以及與A4紙的厚度比較(右);(c)在顯微鏡下測量厚度;(d)將柔性微電極折疊兩次;(e)微電極的拉伸性。

圖2。微電極的制作過程及結果。(a)微電極制造工藝示意圖;(b)制備的微電極的照片;(c)制造過程中激光打孔工藝示意圖;(d)微通道內激光鉆孔。

圖3 PDMS膜上不同激光打孔次數的實驗結果及分析。(a)在顯微鏡下激光打孔的圖案照片;(b)抽取孔和編號孔;(c)不同鉆孔次數和膜厚度下激光鉆孔尺寸的統(tǒng)計結果;圖中圖例表示不同PDMS膜厚度，單位為mm;(d)顯微鏡下長時間鉆孔的側視圖。(a)、(b)和(d)中的比例尺代表5毫米。

圖4。激光打孔位置實驗過程及結果。(a)激光打孔位置編號示意圖;(b)2號位置(上圖)和10號位置(下圖)兩個不同鉆孔位置的液態(tài)金屬填充結果;(c)不同通道寬度下鉆孔位置和液態(tài)金屬充填結果統(tǒng)計結果;誤差條表示每個點的標準誤差;圖圖例表示不同通道寬度，單位為mm。

圖5:一些復雜微電極的照片。紅點表示激光打孔在每個子圖中的位置。(a)圓形天線;(b)具有四通道末端的車輪設計及其詳細光學圖像;(c)細而小的八通道端結構設計;(d)多分岔設計及其詳細光學圖像;(e)大面積設計及其詳細光學圖像;(f)多分支、多終端的復雜渠道設計;(g)多支細雪狀設計。紅色標尺代表5mm，綠色標尺代表500mm。

圖6。液態(tài)金屬基柔性微電極作為可穿戴應變傳感器的應用。(a)形狀傳感器的照片;(b)不同手指位置的測量電容。

在目前的工作中，提出了一種制造高分辨率、薄(119毫米)和盲端液態(tài)金屬微電極的方法。微電極是通過向薄PDMS通道中注入室溫液態(tài)金屬制備的。用于塑造液態(tài)金屬的通道的高分辨率是通過光刻實現的。該薄電極結構是在本實驗室開發(fā)的可逆PC膜鍵合工藝的輔助下開發(fā)的。盡管已經報道了幾種制造盲端液態(tài)金屬電極的方法，但整個通道的制造工藝和厚度都是有限的。在這方面，目前的工作涉及使用激光燒蝕技術在PDMS膜上制造小孔，使制造盲端液態(tài)金屬電極成為可能。所制造的薄液態(tài)金屬電極顯示出高度柔韌性，甚至可以承受數次折疊。此外，它具有很高的應變承受能力，因此，它在開發(fā)可穿戴傳感器和柔性電子產品方面的潛力在目前的工作中得到了說明。

柔性微電極長期以來一直是研究的熱點，其中液態(tài)金屬是一種常見的電極材料。為了塑造液態(tài)金屬，許多研究人員將液態(tài)金屬與其他顆粒材料混合，或簡單地將液態(tài)金屬作為納米顆粒，利用超聲波將其分散開來，以形成墨水。用不同的方法打印、轉移或書寫所需要的墨水以形成電極。盡管這些電極中的一些顯示出高靈活性，但這種制造工藝存在打印分辨率或制造復雜性。十多年來，微通道一直是開發(fā)液態(tài)金屬微電極的良好選擇。然而，制造非常薄的微通道結構是非常困難的，因此，這種類型電極的靈活性是有限的。在目前的工作中，這些限制被糾正，并可以制造結構薄，分辨率高，以及簡單和低成本的制造工藝的液態(tài)金屬微電極。這種方法是開發(fā)柔性微電極的新選擇。

PDMS是一種非常常見的材料，用于柔性電子產品。當厚度較小時，其柔韌性較好。為了克服薄PDMS從模具中去除時的脆弱性，在以前的一些報道中，使用膜如可溶性PVA膜來輔助從硅片中去除PDMS膜，其中單層結構的厚度為30mm(在本工作中為69 mm，具有較高的微通道)，通道面積僅為1 cm2(本研究為9 cm2)。然而，據報道，PVA膜非常，因此，在大面積制造過程中，so結構是變形的。因此，PDMS膜也會發(fā)生變形。在本研究中，使用厚度為1.5 mm的PC膜。選擇PC膜是因為它具有適當的靈活性，即它足夠硬，可以在剝離時支撐大而薄的PDMS結構，因此足夠容易剝離過程。一個er剝離，PC膜去除程序甚至更簡單的薄結構。PC膜一旦與水接觸，在不施加任何力的情況下自然從PDMS中釋放出來，從而有效地避免了薄PDMS結構的變形或斷裂。在所有實驗條件下，PC膜輔助薄PDMS結構制備的結果是大而穩(wěn)定的薄PDMS結構。

盲端設計一直是減小微信道尺寸、提高信道設計自由度的有效方法。本研究利用飛秒激光燒蝕技術進行液態(tài)金屬微電極制造盲端設計。在每個電極通道的最末端用飛秒激光鉆一個孔，激光燒蝕產生的平均孔尺寸測試為1500-3000 mm2，對于厚度在15毫米到52毫米之間，鉆孔時間在1毫秒到1000毫秒之間的膜。由于液態(tài)金屬的表面張力很大，它不能通過這個孔，在壓力下將它放入微通道內。飛秒激光器已廣泛應用于微通道制造工藝，但在液體輔助中應用較少。該設計方法簡單有效，適用于盲端液態(tài)金屬電極的制造。

所以電極是開發(fā)柔性電子產品的一個非常重要的組成部分。制作的微電極作為可穿戴的運動傳感器進行測試。無需使用額外的膠水或粘附物，統(tǒng)計電力足以讓傳感器在皮膚上。本文所介紹的應用恰好證明了這種微電極在實時應用中的良好性能或潛力。

到目前為止，已經有很多方法來制造電子產品，沒有一個是完美的，這個也是。即使微通道的制造過程很簡單，它也需要飛秒激光器來輔助盲端設計。

與所以光刻工藝相比，飛秒激光可能不是那么常見，因此在某些條件下可能很難整個工藝。此外，由于整個結構是用PDMS制造的，而且它們非常薄，所以制造的電極應小心保存，并輕輕使用，以防止損壞或斷裂。在未來，一種更堅硬的材料有望問世。