单个微纳米纤维图案的直接写入适用于基于MEMS微针柔性电子器件

　　Microelectron. Eng.：单个微/纳米纤维图案的直接写入适用于基于MEMS微针的柔性电子器件
　　DOI:10.1016/j.mee.2020.111345 通过应用电液动力学（EHD）直接写入技术可以将微/纳米纤维结构印刷在不导电的基材上。采用湿法刻蚀和深度反应离子刻蚀相结合的方法，制备了一种空心微针阵列作为喷丝板（孔径为40µm，外径为80µm，高度为100µm的微针）。设计并应用了一个实验性的机械静电纺丝装置，以沉积单个微纳米纤维图案。在此设置中，将微针和塑料注射器安装作为两个不同的喷丝头。通过这两个喷丝头可以制备出不同形状和尺寸的纤维。此设置可以控制喷丝板与收集器之间的距离和电压、收集器速度以及流体流速。当基材的速度从50 mm/s增加到200 mm/s时，电纺直线单纤维的平均宽度通过微针从1.4减小到0.5μm，通过塑料注射器从3.5减小到0.85μm。通过将收集器速度从20 mm/s更改为60 mm/s，在电压为1-2.5 kV、收集器到微针的距离为1 mm，流速为0.1 ml/h和聚合物溶液浓度为23wt％的条件下，可以由微针静电纺丝制备出各种单个微/纳米纤维图案，例如正弦曲线、螺旋形、帽形和直线形。由于电排斥力，单带电纤维沿平行于先前在基板上形成的带电图案的边缘路径展开。具有正弦曲线、帽形和螺旋形图案的单纤维可用于柔性印刷电子设备等特殊应用。
　　图1：微针阵列的制造示意图。（a）硅衬底；（b）Si3N4沉积（两面）；（c）Cr沉积（两面）；（d）希普利光致抗蚀剂涂层（两面）；（e）紫外线曝光，显影，Cr蚀刻，RIE；（f）湿蚀刻；（g）翻转，希普利（Shipley）光致抗蚀剂涂层；（h）第二掩模光刻图形化（背面对准），Cr蚀刻和DRIE。
　　图2：湿法蚀刻后的硅基板的SEM图像（（a）两个紧密的微针的背面（b）湿法蚀刻后的尺寸（几乎20µm））和（c）微针的SEM图像（DRIE后的孔直径约为40µm，壁厚为20µm，长度为100µm）。（d）切下微针的中部。
　　图3：（a）实验装置示意图。（b）实验装置。
　　图4：由不同喷丝头（a）微针和（b）塑料注射器产生的正弦曲线图案振幅与收集器速度之间的关系。此外，由（c）微针、（d）塑料注射器产生的单纤维宽度和移动基底速度之间的相关性。流速、收集器到喷丝板的距离以及电压分别为0.1 ml/h、1 mm和1 kV。
　　图5：微针在各种电压和收集器速度下电纺的单纤维图案。流速、收集器距离和聚合物溶液浓度分别为0.1 ml/hr、1 mm和23wt％。
　　图6：a）U型单纤维通过微针在80 mm/s的基底速度下沿x和y方向沉积在移动的基底上。b）SEM图像显示，微针通过在基底上上下移动以静电纺制纤维。
　　图7：微针在图案化基底上制备的带电螺旋单纤维偏差。
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