柔性金属纳米结构执行器制造关键技术及其应用研究
发布时间：2021-01-06 12:11
柔性电子器件主要以柔性材料为基底薄膜层,结合微纳米集成制造工艺设计制造具有传感,数据存储以及能源转化等多种功能的元器件,在航空航天、生物医疗、信息传感等领域有广阔的应用前景。基于MEMS微执行器件的医疗器械发展日新月异,作为柔性医疗器械的关键元件,微电极阵列执行器件受到了广泛的关注。微电极阵列（MEAs）作为执行器关键元件,可对神经或肌肉进行电刺激,记录来自神经细胞的动作电位,从而实现在活细胞组织和电子设备间的传导。然而,常规微电极器件存在高电阻抗,低粘附以及生物相容性差等缺陷,导致其在医学检测、生物传感、微机器人等应用中遇到了诸多困难。其中最主要的是电极在植入体内电阻抗过大,导致刺激和记录过程中需要施加大电流,这种现状不仅将严重损伤接触位置皮肤和组织,而且还将极大的降低其金属和高分子层之间的粘附力,导致微电极器件快速失效。另外由于高分子柔性材料与金属涂层之间的杨氏模量不匹配问题,导致柔性电极在长期植入过程中金属层涂层很容易脱落。因此,为了开发出具有粘附力高,阻抗低的柔性电极器件,针对制造过程中的关键技术工艺进行改进具有重要的科学意义和应用价值。本论文通过反应离子干法刻蚀以及软光刻中的...
【文章来源】：贵州大学贵州省 211工程院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文技术路线图
第2章柔性金属纳米结构微执行电极设计与理论31针对于载荷中的测试刚度计算公式为：其中和表示的是拟合参数，需要通过测试得到相关数据。和分别表示为最大压入深度和残余的深度。同时，根据经典力学的相关理论[112]，可以得到薄膜硬度和折合模量表示为：其中表示与金刚石压针形状有关的常数，表示最大的法向力。从而可以借助于纳米压痕测试仪器所得所需要计算的载荷-压深曲线及相关数据，也可以得到被测纳米金属薄膜的杨氏模量、硬度等力学参数。图2-1Oliver-Pharr典型模型结构以及加载卸载曲线[111]2.1.2纳米划痕测试原理纳米划痕过程中由于载荷的增加的幅度导致涂层裂纹增加，根据前人的研究，划痕载荷施加之后整个金属或者高分子涂层的裂纹发生不同程度的改变，涂层的破坏程度主要取决于高分子层的附着力大小以及粗糙表面的摩擦力变化。划痕过程中的裂纹以及屈服扩展[113]，在涂层厚度上会对金属材料的表面产生一定裂纹现象。根据弹性力学中纳米薄膜材料的裂纹产生模式，高分子薄膜材料以及金属硬质金属材料也会导致金属材料的浪费等。本章主要通过分析具有不同凹凸模型的高分子层与金属材料涂层结合之后，表面粘附力在纳米划痕下的变化。=()=()1（2-4）=（2-5）=2√K（2-6）
贵州大学博士学位论文32图2-2Berkovich压头金刚石针尖模型参数以及纳米划痕示意图[114]使用刮擦方法来评估相对的粘合和内聚破坏[114]。刮擦的进展伴随着连续的退化，这种退化是由边缘的微裂纹表示的内聚破坏，涂层从其基底的局部碎裂以及最后两个成分之间的附着力丧失所致。在相同的划痕加载模式下，涂层的行为是不同的。在单层结构中，随着划痕载荷的增加，薄膜整个横截面上都产生了裂纹，并且裂纹迅速扩散。在这种类型的涂层中，低载荷下将发生了粘合失败现象，并且我们观察到在较高载荷下薄膜的整体碎裂和基材的暴露。如图2-2所示，对于几何上完美的Berkovich压头，使其尖端圆化的工艺过程相当复杂。即使对于最精心研磨的钻石，平均尖端半径通常在10-100nm范围内，如果要在小深度获得准确的结果，则必须考虑多种因素共同结果。在这种单层结构中，裂纹是在一定的载荷下沿着划痕通道产生的，然后完全分层，导致涂层失效。对于最高载荷，在划痕的末端观察到了粘合失败。实际上，裂纹的迁移率主要由薄膜中的应力场决定。表征多层结构的残余应力在延迟裂纹扩展和改善涂层的抗断裂性方面具有非常重要的作用。附着力测量对于微压痕测试，通过测量临界载荷值，将划痕的定性分析扩展到了定量分析，以了解涂层的附着力。临界载荷是在检测到的第一个涂层失效时的正常载荷。该载荷是通过光学显微镜观察划痕，法向和切向载荷测量以及划痕测试过程中残余深度的测量来确定的。对于纳米划痕测试而言，残余深度以及宽度对于载荷和划入深度是重要的参考指标，这些因素也导致测试摩擦力的变化，因此进一步对纳米划痕表面形貌进行分析，从而进一步探究涂层微观粘附力[115]。对于弹塑性材料而言，纳米划痕中的划痕硬度可以根据纳米压痕硬度进?
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属/陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展[J]. 屈伟,范同祥. 材料导报. 2019(21)
[2]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[3]原子力显微镜在膜技术中的应用[J]. 马晓军,马丽艳. 天津科技大学学报. 2018(04)
[4]单晶硅/锗薄膜材料的转移技术及柔性器件应用[J]. 李恭谨,宋恩名,郭庆磊,黄高山,梅永丰. 中国科学:信息科学. 2018(06)
[5]微型电子电路实验装置的设计[J]. 朱名强,蓝日卫,马耀名,梁飘,唐小华,卢世奎. 教育教学论坛. 2018(17)
[6]骨外固定支架材料的生物学评价[J]. 张磊,叶小惠,章亚兵,周宙. 医疗卫生装备. 2018(01)
[7]派拉纶涂敷档案的应用研究[J]. 龚燕华,钱唐根. 档案学研究. 2015(05)
[8]微电极阵列电刺激视网膜的温度场有限元分析[J]. 王薇,乔清理,高卫平,吴俊. 生物医学工程学杂志. 2014(06)
[9]Review of the progress in preparing nano TiO2: An important environmental engineering material[J]. Yan Wang,Yiming He,Qinghua Lai,Maohong Fan. Journal of Environmental Sciences. 2014(11)
[10]涂膜附着力测试的探讨与建议[J]. 丁新艳,刘新群,谭帅霞,邓凯,王进. 涂料工业. 2014(02)
博士论文
[1]基于植入式神经接口的运动感觉功能修复研究[D]. 张鹏.华中科技大学 2018
硕士论文
[1]柔性纳米银导线微笔直写工艺及其电性能调控[D]. 李磊.南昌航空大学 2019
[2]微接触印刷制备微米精细导电图案的研究[D]. 刘世丽.北京印刷学院 2015
[3]植入式柔性神经微电极纳米改性研究[D]. 国冬梅.石家庄铁道大学 2015
[4]微电极阵列电刺激视网膜的电场与温度场有限元分析[D]. 王薇.天津医科大学 2014
本文编号：2960545
【文章来源】：贵州大学贵州省 211工程院校
【文章页数】：175 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文技术路线图
第2章柔性金属纳米结构微执行电极设计与理论31针对于载荷中的测试刚度计算公式为：其中和表示的是拟合参数，需要通过测试得到相关数据。和分别表示为最大压入深度和残余的深度。同时，根据经典力学的相关理论[112]，可以得到薄膜硬度和折合模量表示为：其中表示与金刚石压针形状有关的常数，表示最大的法向力。从而可以借助于纳米压痕测试仪器所得所需要计算的载荷-压深曲线及相关数据，也可以得到被测纳米金属薄膜的杨氏模量、硬度等力学参数。图2-1Oliver-Pharr典型模型结构以及加载卸载曲线[111]2.1.2纳米划痕测试原理纳米划痕过程中由于载荷的增加的幅度导致涂层裂纹增加，根据前人的研究，划痕载荷施加之后整个金属或者高分子涂层的裂纹发生不同程度的改变，涂层的破坏程度主要取决于高分子层的附着力大小以及粗糙表面的摩擦力变化。划痕过程中的裂纹以及屈服扩展[113]，在涂层厚度上会对金属材料的表面产生一定裂纹现象。根据弹性力学中纳米薄膜材料的裂纹产生模式，高分子薄膜材料以及金属硬质金属材料也会导致金属材料的浪费等。本章主要通过分析具有不同凹凸模型的高分子层与金属材料涂层结合之后，表面粘附力在纳米划痕下的变化。=()=()1（2-4）=（2-5）=2√K（2-6）
贵州大学博士学位论文32图2-2Berkovich压头金刚石针尖模型参数以及纳米划痕示意图[114]使用刮擦方法来评估相对的粘合和内聚破坏[114]。刮擦的进展伴随着连续的退化，这种退化是由边缘的微裂纹表示的内聚破坏，涂层从其基底的局部碎裂以及最后两个成分之间的附着力丧失所致。在相同的划痕加载模式下，涂层的行为是不同的。在单层结构中，随着划痕载荷的增加，薄膜整个横截面上都产生了裂纹，并且裂纹迅速扩散。在这种类型的涂层中，低载荷下将发生了粘合失败现象，并且我们观察到在较高载荷下薄膜的整体碎裂和基材的暴露。如图2-2所示，对于几何上完美的Berkovich压头，使其尖端圆化的工艺过程相当复杂。即使对于最精心研磨的钻石，平均尖端半径通常在10-100nm范围内，如果要在小深度获得准确的结果，则必须考虑多种因素共同结果。在这种单层结构中，裂纹是在一定的载荷下沿着划痕通道产生的，然后完全分层，导致涂层失效。对于最高载荷，在划痕的末端观察到了粘合失败。实际上，裂纹的迁移率主要由薄膜中的应力场决定。表征多层结构的残余应力在延迟裂纹扩展和改善涂层的抗断裂性方面具有非常重要的作用。附着力测量对于微压痕测试，通过测量临界载荷值，将划痕的定性分析扩展到了定量分析，以了解涂层的附着力。临界载荷是在检测到的第一个涂层失效时的正常载荷。该载荷是通过光学显微镜观察划痕，法向和切向载荷测量以及划痕测试过程中残余深度的测量来确定的。对于纳米划痕测试而言，残余深度以及宽度对于载荷和划入深度是重要的参考指标，这些因素也导致测试摩擦力的变化，因此进一步对纳米划痕表面形貌进行分析，从而进一步探究涂层微观粘附力[115]。对于弹塑性材料而言，纳米划痕中的划痕硬度可以根据纳米压痕硬度进?
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属/陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展[J]. 屈伟,范同祥. 材料导报. 2019(21)
[2]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[3]原子力显微镜在膜技术中的应用[J]. 马晓军,马丽艳. 天津科技大学学报. 2018(04)
[4]单晶硅/锗薄膜材料的转移技术及柔性器件应用[J]. 李恭谨,宋恩名,郭庆磊,黄高山,梅永丰. 中国科学:信息科学. 2018(06)
[5]微型电子电路实验装置的设计[J]. 朱名强,蓝日卫,马耀名,梁飘,唐小华,卢世奎. 教育教学论坛. 2018(17)
[6]骨外固定支架材料的生物学评价[J]. 张磊,叶小惠,章亚兵,周宙. 医疗卫生装备. 2018(01)
[7]派拉纶涂敷档案的应用研究[J]. 龚燕华,钱唐根. 档案学研究. 2015(05)
[8]微电极阵列电刺激视网膜的温度场有限元分析[J]. 王薇,乔清理,高卫平,吴俊. 生物医学工程学杂志. 2014(06)
[9]Review of the progress in preparing nano TiO2: An important environmental engineering material[J]. Yan Wang,Yiming He,Qinghua Lai,Maohong Fan. Journal of Environmental Sciences. 2014(11)
[10]涂膜附着力测试的探讨与建议[J]. 丁新艳,刘新群,谭帅霞,邓凯,王进. 涂料工业. 2014(02)
博士论文
[1]基于植入式神经接口的运动感觉功能修复研究[D]. 张鹏.华中科技大学 2018
硕士论文
[1]柔性纳米银导线微笔直写工艺及其电性能调控[D]. 李磊.南昌航空大学 2019
[2]微接触印刷制备微米精细导电图案的研究[D]. 刘世丽.北京印刷学院 2015
[3]植入式柔性神经微电极纳米改性研究[D]. 国冬梅.石家庄铁道大学 2015
[4]微电极阵列电刺激视网膜的电场与温度场有限元分析[D]. 王薇.天津医科大学 2014
本文编号：2960545
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