[发明专利]一种碳微电极阵列结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳微机电技术领域，具体涉及一种表面集成微纳金属褶皱的碳微电极阵列结构的制备方法，所制备的阵列结构可作为微电极，应用于微型电池、生物芯片和微型电化学传感器等微机电领域中。

背景技术

碳微机电系统（C-MEMS）技术是一种厚胶光刻结合高温热解（通常1000度左右）的制造技术，该技术基于高粘性的光刻胶（如SU-8胶）和常规光刻工艺生成三维交联微结构，然后在热解炉中和惰性气氛条件下，通过升温控制交联结构热解转换成玻璃碳结构。该技术具有大批量、工艺简单和可制造多种多样的三维碳微电极阵列结构的特点。生成的碳结构具有优良的机械、导电、导热和电化学特性，并有碳材料独特的生物兼容性，在新型微电池和传感器开发，尤其在生物器件领域具有独特的应用前景。

薄膜在压缩应力作用下发生曲屈生成褶皱是一种常见力学现象。以往，曲屈现象通常被认为是影响结构稳定性、导致结构失效的不利因素，需要设法避免。因此，早期的研究主要关注的是薄膜褶皱的生成现象和机理。1998年，美国哈佛大学的Bowden等人在“Spontaneous formation of ordered structures in thin films of metals supported on an elastomeric polymer”一文（Nature,1998,393:146-149）报道了平坦表面上薄膜褶皱的研究成果,展示了在平坦表面上由热胀冷缩产生的各向同性的应力所生成的褶皱具有无序的纹理。他们率先提出利用此现象可制造表面微结构，还提出通过制作微结构来调控平坦表面上的褶皱纹理。近年来，大量研究证实了覆盖在弹性基底表面的刚性薄膜在压缩应力作用下可以自发形成具有多样纹理的褶皱。随着薄膜褶皱的应用价值不断被认识和微纳制造技术的发展，各种微纳米加工方法的不断涌现为微纳米褶皱膜的加工提供了手段，人们开始把目光转向薄膜褶皱的加工上，并开始利用薄膜生成褶皱这一力学现象来制造表面微纳结构。

在生成薄膜褶皱结构方面,Lin等在“Spontaneous formation of one-dimensional ripples in transit to highly ordered two-dimensional herringbone structures through sequential and unequal biaxial mechanical stretching”一文（Applied Physics Letter,2007,90:241903）报道了在PDMS表面制作薄膜褶皱的方法。通过不同方式对应力进行释放，可生成高度有序的人字形褶皱或无序的褶皱。相比于热胀-冷缩方法，Lin等提出的拉伸-回缩方法可以产生较大的预应变，并根据预应变的不同可以生成波长为250纳米至10微米的褶皱。此方法还可以控制应力释放过程，从而对褶皱纹理进行调控。

美国哈佛大学的Moon和韩国首尔国立大学的Hutchinson等人在“Wrinkled hard skins on polymers created by focused ion beam”一文（PNAS,2007,104(4):1130–1133）中提出，将PDMS暴露在聚焦离子束中，聚焦粒子束辐射改变了PDMS表面的化学组成，使得其靠近粒子束的表面生成一层刚性薄膜，该薄膜与弹性基底之间应力发生变化，从而导致薄膜褶皱的产生。通过控制聚焦离子束的频率及暴露在其中的PDMS的面积，可实现褶皱波长在微米到亚微米范围内变化，而褶皱纹理也从简单的一维结构到复杂分层嵌套结构各不相同。

种种研究表明，通过将薄膜曲屈现象和传统的微纳加工技术结合，可以制作出复杂的微纳结构。但这些褶皱结构的生成大多局限于聚合物结构，还不具备成为电极结构用于器件开发的条件。

在薄膜褶皱的制备工艺方面，Xie等人在“Encoding localized strain history through wrinkle based structural colors”一文（Advanced Material,2010,22:4390-4394）提出采用形状记忆聚合物制作基底，将其加热至转变温度后，利用压印技术在基底表面制作微结构，然后降温并沉积金属薄膜，最后将其升温至转变温度，此时微结构侧壁上的金属薄膜将发生曲屈生成褶皱，但是此方法无法在整个表面生成褶皱。也有人提出了许多其他不同的制造工艺，但是这些薄膜褶皱生成的工艺研究均在平坦表面进行，没有考虑在已有微技术加工的基础上制备纳米褶皱结构，实现微纳集成结构的制造。