基于相变转印的液态金属柔性电路制备方法

图7.21　液态金属与PDMS在温度降低过程中的由热应力所引起的机械形变向量（单位为μm）［23］

图7.22　基本的可编程电路的设计［23］

a.电路原理；b.电路板布线。

为了制备柔性生物传感器，我们首先设计了一个基本的可编程电路，用以验证相变转印法在制备柔性功能电路上的可行性。电路原理和PCB图如图7.22所示，电路采用STC12LE2052单片机，CPU频率为17.432 MHz，8个IO口各自连接一个贴片LED，使用3V纽扣锂电池供电。单片机程序的内容为依照特定的序列设置IO口的高低电平，以实现LED按照特定顺序自动闪烁，在元器件放置前程序已经烧写在单片机中，上电即可自动执行。为了同时测试电路的柔性，电路的布线被设计成带状，这样就可以在加工后将其弯成一个手环形状。

为了充分验证相变转印方法的可靠性，分别采用“转印前”和“转印后”两种元器件放置顺序来完成电路的制备。在“转印后”操作法中，首先将已经镜像的电路打印到PVC基底（图7.23a），放置于模具底并倒入PDMS溶液覆盖于其上（图7.23b），在PDMS经过升温固化后，利用相变分离PVC并完成转印，再分别将单片机、晶振、LED、电阻电容以及锂电池座嵌入到液态金属线中，最后覆盖一层PDMS溶液并固化，得到如图7.23c所示的透明柔性电路。同样，如图7.23d所示，“转印前”操作法中，无需镜像即可直接打印电路，待元器件依次放置好后，放入模具中并覆盖PDMS溶液（图7.23e），在PDMS固化、PVC分离并完成最终封装后，同样也得到了功能一致的透明柔性电路（图7.23f）。受模具尺寸影响，整个电路长约20 cm，宽约2 cm。当锂电池放入电池座时，8个与单片机IO引脚连接的LED就会根据下载程序开始闪烁。

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图7.23　基于相变转印，分别利用元器件后置和前置操作法所加工的柔性电路［23］

a.镜像后打印在PVC膜上的电路图形；b.在模具中将电路覆盖上PDMS；c.完成转印、元器件放置及封装的柔性电路；d.直接打印在PVC膜上的电路图形；e.放置元器件后在模具中覆盖上PDMS；f.完成转印及封装的柔性电路。

图7.24　贴片电阻两端引脚在液态金属线路之间连接的扫描电镜图［23］

在扫描电镜下进一步观察电路中液态金属与元器件引脚之间的连接情况，图7.24所示是一个0805贴片电阻，可以看到电阻两端的金属引脚被液态金属很好地覆盖包裹住，这保证了即使在基底变形的情况下连接也具有相当的可靠性。

由于PDMS具有柔性和可拉伸性，而流动的液态金属又被完全封闭在PDMS腔道中，因此所制备的电路整体也具有非常好的柔性。如图7.25所示，在弯曲、扭转、拉伸时，电路依然能够正常工作。有趣的是，如此制备出的电路可以弯成环形，像腕带一样戴在手腕上。这一工作也为今后穿戴式传感器的拓展打下了基础。

图7.25　基于相变转印效应制备的液态金属柔性电路在卷曲、扭转、拉伸及柔软顺应状态下均能正常工作［23］