[发明专利]以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件及制备方法

说明书

本发明提出一种以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件及其制备方法，包括：步骤一，获取具有预设电极图案的中介产品；步骤二，将韧性水凝胶预拉伸，并将预拉伸的水凝胶与步骤一中的中介产品贴合，实现电极图案转移至水凝胶表面；步骤三，缓慢释放水凝胶，使其恢复至未拉伸状态，得到以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件。本发明将通过结合3D打印、模板印刷技术与转移印刷技术等，以柔性聚四氟乙烯(PTFE)滤膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅橡胶或玻璃等为中介材料，配合特制的电极浆料，在以琼脂/聚丙烯酰胺(Agar/PAM)等为代表的韧性水凝胶电解质表面，能够快速、便捷地印刷得到可拉伸微型器件。所制备的微型器件包括微传感器与微超级电容器等。

技术领域

本发明涉及可拉伸微型电子器件技术领域，具体涉及一种以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件及制备方法。

背景技术

近年来，随着电子器件愈加微型化与新材料的开发，轻柔贴身形态多变的柔性电子器件，已逐渐成为研究与应用热点，在可穿戴电子、柔性触摸屏、贴身医疗监护、仿生机器人等领域凸显出巨大的应用潜力。为开发可紧贴于人体表面的柔性可穿戴器件，需要让电子器件能承受较大的拉伸应变(100％)。这类可拉伸电子器件通常利用两种策略来实现，一是开发新型可拉伸电子材料，二是设计可承受拉伸应力的材料与器件结构，或者通过结合多种策略来提高拉伸性能。

作为一种离子导电高分子材料，水凝胶电解质因兼具良好的机械柔性与电学功能，在柔性电子器件与电子皮肤等领域得到了广泛的探索，成为目前可拉伸电子备受瞩目的新兴材料。然而传统水凝胶材料由于力学强度与柔韧性不足，与非亲水材料之间黏附力较弱等特点，使直接在水凝胶表面形成电极的制造技术难以实施，往往额外需要柔性基底作为支撑或者保护层，增加体系复杂性与凝胶-电极-基底等界面的不稳定性。另外，传统微电子所用光刻蚀等技术难以应用于柔性材料的加工，电极微型化、图案化的处理也变得困难，容易给水凝胶带来一定程度上的破坏，难以实现可拉伸器件，这将极大限制基于水凝胶体系的柔性器件的应用。近年来开发的韧性双网络水凝胶在力学强度与可拉伸性等性能上得到了显著提升。而一些新兴的低成本、耗时短、批量化印刷电极成型技术，例如喷墨打印、丝网印刷和3D打印等在柔性电子领域展现出了良好的应用前景。由此，研究在韧性水凝胶表面可靠制备可拉伸微型电极与器件的方法，实现无需额外基底材料的功能水凝胶可拉伸器件，具有重要意义。

发明内容

本发明需要解决的问题是直接以水凝胶为基底构建可拉伸图案化微型电极，提供一系列方便、可靠且具有一定精度的技术方法，以制备无需额外基底的可拉伸水凝胶微电子器件。

本发明一种以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件的制备方法，包括：

步骤一，获取具有预设电极图案的中介产品；

步骤二，将韧性水凝胶预拉伸，并将预拉伸的水凝胶与步骤一中的中介产品贴合，实现电极图案转移至水凝胶表面；

步骤三，缓慢释放水凝胶，使其恢复至未拉伸状态，得到以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件。

优选的，在步骤一中，获取具有预设电极图案的中介产品包括：制作具有设定图案的不锈钢掩模板，将掩模板紧贴于PTFE滤纸，将乙醇溶液喷涂在PTFE滤纸上，快速去除掩模板，在80℃下烘干，获取具有预设电极图案的PTFE滤纸。

优选的，获取具有预设电极图案的中介产品包括：制作具有设定图案的3D打印模板，将3D打印模板放置在PDMS预聚物粘稠液体表面，在80℃下使PDMS固化，将电极浆料均匀涂敷在PDMS表面，剥离3D打印模板，获取具有预设电极图案的PDMS。

优选的，获取具有预设电极图案的中介产品包括：制作具有设定图案的不锈钢掩模板，将掩模板紧贴紧于玻璃片表面，将电极浆料均匀涂敷在掩模板上，去除掩模板，获取具有预设电极图案的玻璃片。