CN113314266A - 一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，包括：步骤1，制造与预设叶片对应的叶脉芯片，将所述预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片；步骤2，对所述叶脉芯片的所述脉路微结构内填充导电流体；步骤3，在所述导电流体凝固后形成网状电极层。通过将预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片，使得可以将叶脉的结构高保真的转移到叶脉芯片上，采用转录而无需对叶片进行处理，可以将脉路微结构对应的叶脉的横截面、脉管深度等完全转移到叶脉芯片，保真度得到大幅度提升，更加接近实际的叶脉结构，使得通过填充导电流体凝固获得的网状电极层具有更高的导电效率。

Description

一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法

技术领域

本发明涉及叶脉仿生技术领域，特别是涉及一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法。

背景技术

自然仿生学工程是国际学术界的前沿领域。叶片/叶脉仿生学工程在关系国计民生的众多重要领域有潜在应用价值，包括弱噪音微电子元器件，高效率热传导，耐用型风力涡轮，绿色能源等。最近的研究成果发现，通过仿造叶脉结构而制造的微脉管型微电路网络表现出优越性能，不但具备极低的电阻，甚至在效率方面要远超过现存的任何一种光/电流传输电路系统，意味着仿叶脉微电路芯片在(可弯曲的)显示器、智能传感器、发光二极管、光电转换器、太阳能电池等领域有着广阔的研究前景。

在工艺的方法学方面，现有的研究首先通过化学腐蚀将白玉兰植物(WhiteJadeOrchid Tree)的叶片去掉叶片软组织，而得到叶脉结构。叶脉又被用为光刻掩模，紫外曝光预先旋涂阳性光刻胶的基片，洗涤后，得到与叶脉相同平面几何结构的微脉形状，最后通过金属沉积、烘焙、剥离技术得到微脉形状的电路网。

现有技术所制造的微脉管，仍然无法将真实叶脉的横截面、脉管深度、脉管表面的二级微结构，高保真的将拷贝于芯片之中，无法满足高保真微脉仿生学微电路的方法。与真实叶片叶脉相比较，只是对真实树叶脉管的半模拟，失去了保真度。

由此可见，上述方法所制造的微电路芯片因为它所制造的每条微电路管的深度已由光刻胶的旋涂厚度所决定，所以每条仿生的脉管电路不但深度相同，且因为光刻法的局限性，它们的横截面会趋向于(长)方形。实际叶片的叶脉每条微脉管的深度并不相同，都有自身特有的尺寸。另外，真实叶脉每条脉管的横截面为半(椭)圆形、并非(长)方形。最重要的，真实叶脉的每条微脉管的表面呈现出非常复杂地二级、三级微结构，而这些微结构同样无法保真的体现于上述的叶片仿生学电路中。

另外，网版印刷作为一种传统的印刷技术，也得到了广泛的应用，如太阳能电池、柔性电路板、电子标签等制造工艺。但是在制作微电极方面仍然无法实现高保真自然法生学微纳电极结构的获得。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，获得仿生学脉网状电极保真程度更高，导电率更高。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，包括：

步骤1，制造与预设叶片对应的叶脉芯片，将所述预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片；

步骤2，对所述叶脉芯片的所述脉路微结构内填充导电流体；

步骤3，在所述导电流体凝固后形成网状电极层。

其中，所述步骤1包括：

以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，或以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片，或根据默里定律几何构型法则中所有分级脉管直径立方之和为恒定值的原理，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片。

其中，以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，包括：

将所述预设叶片粘贴到第一基片；

向所述预设叶片的正面设置预设厚度的液态硅胶层；

在所述液态硅胶层凝固之后，将所述液态硅胶层与所述预设叶片分离；

将所述液态硅胶层的与所述第一基片的接触面与第二基片连接，形成所述不可逆叶脉芯片模板。

其中，所述液态硅胶层中PDMS与硅胶主体的重量比例为1:20～1:25。

其中，所述将所述预设叶片粘贴到第一基片为通过双面胶或胶水将所述预仿生的叶片粘贴到第一基片。

其中，以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片包括：

将不可逆叶脉芯片模板的所述液态硅胶层与第三基片键合或通过夹具将所述液态硅胶层与所述第三基片连接，在所述液态硅胶层中与所述预设叶片对应面与所述基片贴合形成管道，通过在所述管道中填充所述导电流体形成所述网状电极层。

其中，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片，包括：

通过图片处理软件绘制与所述预设叶片对应的网状几何结构；

通过光刻法、数控机床加工、软刻法、3d打印或者激光雕刻在预设微芯片中雕刻处与所述网状几何机构对应的微流控管道，获得所述叶脉芯片，通过在微流控管道中填充所述导电流体构建导电网状结构。

其中，所述网状电极层为液态金属导电层，或SU8光刻胶碳化形成的电极层，或导电凝胶导电层，或银氨反应获得的电极层。

其中，所述从所述叶脉芯片中取出所述网状电极层包括：

将所述液态硅胶层与所述基片在偶联剂键合之后进行加热，实现所述液态硅胶层与所述基片的分离。

其中，所述第三基片为塑料基片或陶瓷基片。

本发明实施例所提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，通过将预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片，使得可以将叶脉的结构高保真的转移到叶脉芯片上，采用转录而无需对叶片进行处理，可以将脉路微结构对应的叶脉的横截面、脉管深度等完全转移到叶脉芯片，保真度得到大幅度提升，更加接近实际的叶脉结构，使得通过填充导电流体凝固获得的网状电极层具有更高的导电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法的一个实施例中的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法的一个实施例中的步骤流程示意图。

在一种具体实施方式中，所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，包括：

步骤1，制造与预设叶片对应的叶脉芯片，将所述预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片；

步骤2，对所述叶脉芯片的所述脉路微结构内填充导电流体；

步骤3，在所述导电流体凝固后形成网状电极层。

通过将预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片，使得可以将叶脉的结构高保真的转移到叶脉芯片上，采用转录而无需对叶片进行处理，可以将脉路微结构对应的叶脉的横截面、脉管深度等完全转移到叶脉芯片，保真度得到大幅度提升，更加接近实际的叶脉结构，使得通过填充导电流体凝固获得的网状电极层具有更高的导电效率。

本发明中对于叶脉芯片的制作工艺不做限定，一般所述步骤1包括：

以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，或以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片，或根据默里定律几何构型法则中所有分级脉管直径立方之和为恒定值的原理，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片。

一个实施例中，以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，包括：

将所述预设叶片粘贴到第一基片；将预设叶片进行固定，叶片一般需要平整，这样制成的网状电极才是平面结构，当然如果有需要一定角度的网状电极，可以预先设定一定的角度，只要将第一基片制作为预定的形状即可。

向所述预设叶片的正面设置预设厚度的液态硅胶层；采用液态硅胶层的目的，在于利用其从液态的流动性与预设叶片进行充分接触，在液态硅胶层凝固之后，就会将其叶脉结构全部转录到硅胶层，而且硅胶层也不会与预设叶片发生粘粘，不会发生相互渗透，不会损坏叶片的脉路，能够最大程度的进行叶脉转录，实现获得更高保真度的叶脉结构。

在所述液态硅胶层凝固之后，将所述液态硅胶层与所述预设叶片分离；在所述液态硅胶层凝固之后，将所述液态硅胶层与所述预设叶片分离之后，就会在液态硅胶层表面获得叶片的叶脉结构，最后在液态硅胶层进行液态导电材料的设置之后，由于叶片的叶脉与液态硅胶层紧贴，二者形状互补，而液态硅胶层也会与液态导电材料形成的电极也会不会，这样会形成液态导电材料形成的电极与叶片的叶脉结构几乎相同，不管是横截面还是深度都几乎相同，获得更高导电率的叶脉仿生网状电极；之后，将所述液态硅胶层与所述第一基片的接触面与第二基片连接，形成所述不可逆叶脉芯片模板。

这种不可逆叶脉芯片模板由于液态硅胶层第二基片连接成为一体，不能够拆卸，使得其成为不可逆叶脉芯片模板。

其中硅胶的柔韧性可以通过调整材质比例实现，一般所述液态硅胶层中PDMS与硅胶主体的重量比例为1:20～1:25。

本发明对于其材质比例不作限定，工作人员可以进行适当的调整。

本发明中对于将预设叶片与第一基片的粘贴方式不作限定，所述将所述预设叶片粘贴到第一基片可以为通过双面胶或胶水将所述预仿生的叶片粘贴到第一基片，或者采用其它的粘结方式。

由于不可逆叶脉芯片不利于规模化量产，为了实现大规模应用，降低使用成本，一个实施例中，以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片包括：

将不可逆叶脉芯片模板的所述液态硅胶层与第三基片键合或通过夹具将所述液态硅胶层与所述第三基片连接，所述液态硅胶层中与所述预设叶片对应面与所述基片贴合形成管道，通过在所述管道中填充所述导电流体形成所述网状电极层。

通过软刻法制造可逆封合的叶脉芯片，获得更高保真度的叶脉型电路，以软刻法得到上述的胶基叶脉芯片为电路加工模具，在芯片内部填充电路材料来实现。所以，叶脉芯片的功能类似于注塑法中的模具：在模具中的仿生学电路系统形成后，叶脉芯片的上基片需要与下基片分开，而仅保留仿生学电路系统。

本发明中的可逆封合芯片的加工方法可以通过硅胶与第二基片键合时候比较弱的键和强度，例如降低键和时间，减少键和光晕强度来实现；可以通过硅胶与塑料、陶瓷等非硅基型的基片通过偶联剂键合之后通过加热的方式，实现分离功能；也可以直接通过夹具的方式来实现。例如，将凝固厚度液态硅胶层与第三基片贴合之后，可以再纵向放置多个止水夹或者其它的夹具，利用螺丝螺母的螺旋结构加紧液态硅胶层与第三基片使得二者紧密结合。此外，为了让受力更加均匀，也可以在液态硅胶层以及第三基片的外侧设置硬质平板，然后再用夹具夹紧，这样就能够保证二者充分贴合，之间的空间只有叶脉结构的空间。上述的可逆键合芯片还可以直接将半凝固状态的硅胶作为基片材料，这样直接可以与带有叶脉结构的硅胶实现紧密贴合，但是后期可以分开成为可以芯片结构。

本发明将发展基于天然叶脉结构形状的微电路设计方法，以实现与自然界微叶脉结构相同几何构型、，也就是符合Murray’s Law的自然仿生学网状电极结构.

Murray’s Law(默里定律)是面向动物的三维循环系统(血管)提出的，所协调的是作为传输液体的血液，传输载体的血管、各分支血管级别之间的几何形状与尺寸、以及血液传输阻力之间的关系。而平面型的集成电路系统是二维结构，与三维的动物血管存在几何构型的明显差异，但与二维的叶脉拥有平面构型的相近性。因为近十年的前沿成果已证实二维叶脉与三维血管之间都符合液体流动阻力最小的默里定律，所以，基于符合默里定律几何形状的微脉管拥有最小流体阻力的基本思想，设计低电流阻抗与高电导效率的平面型微电路系统策略是本专利的核心思想。

采用这一理论，在一个实施例中，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片，包括：

通过图片处理软件绘制与所述预设叶片对应的网状几何结构；

通过光刻法、数控机床加工、软刻法、3d打印或者激光雕刻在预设微芯片中雕刻处与所述网状几何机构对应的微流控管道，获得所述叶脉芯片，通过在微流控管道中填充所述导电流体构建导电网状结构。

根据默里定律几何构型法则，即所有分级脉管直径立方之和为恒定值的法则，通过图片处理软件绘制相应的网状几何结构，这样就能够避免直接使用叶片，只需要检测出一些主要管道的尺寸，即可通过软件模拟将整个管路的尺寸模拟出来，从而制作出对应的微流控管道，工艺更为简单，不会因为脆弱的叶片而发生叶片损坏而工艺终端，甚至由于叶片脱水等造成形变，从而提高了大规模应用中制造的网状电极的精确度。

本发明中对于液态导电材质的形成不做限定，所述网状电极层为直接形成的导电材质，如液态金属导电层、导电凝胶导电层等，也可以是通过反应获得导电材质，如SU8光刻胶碳化形成的电极层，或银氨反应获得的电极层，或者其它获得导电的电极。

而在获得网状电极之后，需要从叶脉芯片即该模板中将其取出，一个实施例中，所述从所述叶脉芯片中取出所述网状电极层包括：

将所述液态硅胶层与所述基片在偶联剂键合之后进行加热，实现所述液态硅胶层与所述基片的分离。

本发明对于实际的基片的材质不做限定，所述第三基片可以为塑料基片。也可以为陶瓷基片，或者其它的材质。

除了直接作为模板之外，还可以通过二次翻模板加工的方式,在其他材质管道中构建相应的导电网络结构，本发明对此不作限定。

综上所述，本发明实施例提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，通过将预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片，使得可以将叶脉的结构高保真的转移到叶脉芯片上，采用转录而无需对叶片进行处理，可以将脉路微结构对应的叶脉的横截面、脉管深度等完全转移到叶脉芯片，保真度得到大幅度提升，更加接近实际的叶脉结构，使得通过填充导电流体凝固获得的网状电极层具有更高的导电效率。

以上对本发明所提供的高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，包括：

步骤1，制造与预设叶片对应的叶脉芯片，将所述预设叶片的脉路微结构转录到所述叶脉芯片；

步骤2，对所述叶脉芯片的所述脉路微结构内填充导电流体；

步骤3，在所述导电流体凝固后形成网状电极层。

2.如权利要求1所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：

以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，或以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片，或根据默里定律几何构型法则中所有分级脉管直径立方之和为恒定值的原理，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片。

3.如权利要求2所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，以所述预设叶片制作不可逆叶脉芯片模板，包括：

将所述预设叶片粘贴到第一基片；

向所述预设叶片的正面设置预设厚度的液态硅胶层；

在所述液态硅胶层凝固之后，将所述液态硅胶层与所述预设叶片分离；

将所述液态硅胶层与所述第一基片的接触面与第二基片连接，形成所述不可逆叶脉芯片模板。

4.如权利要求3所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述液态硅胶层中PDMS与硅胶主体的重量比例为1:20～1:25。

5.如权利要求4所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述将所述预设叶片粘贴到第一基片为通过双面胶或胶水将所述预仿生的叶片粘贴到第一基片。

6.如权利要求5所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，以所述不可逆叶脉芯片模板制作可逆封合的叶脉芯片包括：

将不可逆叶脉芯片模板的所述液态硅胶层与第三基片键合或通过夹具将所述液态硅胶层与所述第三基片连接，在所述液态硅胶层中与所述预设叶片对应面与所述基片贴合形成管道，通过在所述管道中填充所述导电流体形成所述网状电极层。

7.如权利要求2所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，通过绘制并加工与所述预设叶片相应的网状几何结构制作所述叶脉芯片，包括：

通过图片处理软件绘制与所述预设叶片对应的网状几何结构；

通过光刻法、数控机床加工、软刻法、3d打印或者激光雕刻在预设微芯片中雕刻处与所述网状几何机构对应的微流控管道，获得所述叶脉芯片，通过在微流控管道中填充所述导电流体构建导电网状结构。

8.如权利要求7所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述网状电极层为液态金属导电层，或SU8光刻胶碳化形成的电极层，或导电凝胶导电层，或银氨反应获得的电极层。

9.如权利要求8所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述从所述叶脉芯片中取出所述网状电极层包括：

将所述液态硅胶层与所述基片在偶联剂键合之后进行加热，实现所述液态硅胶层与所述基片的分离。

10.如权利要求9所述高电导效率的自然仿生学脉网状电极制备方法，其特征在于，所述第三基片为塑料基片或陶瓷基片。

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