[发明专利]一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法

说明书

本发明涉及一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法，将微/纳制造、纸浆模塑和纳米导电油墨相结合，加工三维纸基网络结构中填充导电纳米颗粒，构建电路。通过多组分导电纳米颗粒填充，可获得复合材料电路。该加工工艺具有加工简单、材料环保和成本低廉等优点，是微流控技术在柔性电路的新应用。

技术领域

本发明涉及纸基微流控芯片领域，特别是一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法。

背景技术

纸基微流控芯片是一种新型流体操纵与分析系统，借助毛细作用可实现流体的自驱动，能够在极小空间内简便地操控微/纳升级的液体，促进了便携式分析技术的发展。纸张因为具有易获取、成本低和比表面积大等特点，并且具有不借助外置设备即可输送如血液、缓冲液等流体样本和生化试剂的优势而受到广泛关注。现有纸基微流控芯片加工方法有紫外光刻、激光切割、融蜡喷印、喷墨打印、喷墨溶剂刻蚀等，加工对象多为成品滤纸，纸张的厚度、截面形状等参数难以调整。当芯片设计方案复杂时，将难以满足要求。

纸浆模塑是一种三维立体造纸技术，通过纸浆在模具内部吸附、固化而获得与模具结构匹配的纸张结构。因此，采用纸浆模塑工艺将可以获得三维复杂结构的纸基芯片。模具加工的精度和尺寸将决定纸张成型的精度和尺寸，当模具特征尺寸在微/纳米尺度时，与之匹配的成型纸基结构也将具有同样特征尺寸。另一方面，柔性基体导电材料印刷技术近年来得到快速发展，但是该技术单次印刷通常仅能获得单一导电材料（如金粉、银系导电墨、碳系导电墨等），如果要得到多组分复合电路（导线各段成分不同），需要多次更换喷头等操作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法，可以极大提高现有纸基微流控芯片的工艺水平。

本发明采用以下方案实现：一种纸基复合三维微/纳电路，包括自下至上依次设置的绝缘压力膜、纸基结构、以及热塑膜；

所述纸基结构包括纸基导线与纸基电极，所述纸基导线与纸基电极粘附在所述绝缘压力膜的上表面；

所述热塑膜覆盖在所述纸基结构除了纸基电极以外部分的顶部；

所述纸基结构内部附着有导电纳米颗粒。

进一步地，所述纸基结构的不同区域可以为不同组分的导电纳米颗粒。

本发明还提供了上文所述结构的加工方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：制作微/纳结构的开式腔体模具；

步骤S2：将调制好的纸浆由精密微注射泵（泵送流速可选数微升/分钟或更低）注入模具，使得纸浆逐层均匀吸附在模具的内表面，形成与模具形状对应的匹配湿胚纸基结构；

步骤S3：将内部含有湿胚的模具转移至烘干箱，在75 ℃烘干环境中蒸发掉湿胚中过多的水分，控制纸胚最终含水率在5-10%；

步骤S4：借助显微镜观测模具内部纸基粘附情况，对不满足要求的部分采用重复注塑纸浆的方法使其达到最终要求；

步骤S5：将导电油墨按所需位置填充到纸基各部分，待油墨干燥后，导电纳米颗粒富集附着在纸纤维中，最终形成电路；

步骤S6：在机械力作用下，将模具中固化成型的纸基网络转印至绝缘压力膜，采用热塑封方法将除电极之外的部分塑封，获得最终纸基导电电路。塑封后，电路可在普通环境中长期保持。

进一步地，所述步骤S1具体为：采用紫外光光刻技术（一般加工极限线宽1 µm）加工微米特征尺度模具；采用电子束曝光技术（加工极限线宽8 nm）加工纳米特征尺度模具。

进一步地，所述模具的材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、或光刻胶。