用于柔性电子器件的3D打印微结构

——— ||| 导读 ||| ———

2019年7月25日的纳米技术期刊上，香港城市大学的Yiming Liu等人发表了一篇利用3D打印技术制作柔性电子器件的文章，基于双光子聚合原理的激光直写技术可以制作出柔性的三维蛇形电路。

—— ||| 背景介绍 ||| ——

柔性可伸展的电子产品由于其独特的机械性能和不可替代的医疗保健监测优势吸引了越来越多的关注并被广泛地应用于可穿戴设备和电子皮肤中，可穿戴式柔性传感器能够连续监测呼吸、运动、体温、心跳和其他相应的健康信号。其中可扩展伸缩的电子电路通常是基于平面的2D几何结构，广泛采用的策略是通过优化的机械设计将已建立的电路复制成一种柔性结构。为了增加器件的形变能力，2D电路通常设计成蛇形结构。最近开发的三维柔性结构是通过压缩弯曲将机械设计良好的二维电路变换而获得的，这些三维压缩弯曲电子器件的尺寸通常为毫米级。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

文章中运用solidworks设计具有拱形单元和电极的三维结构，将3D打印技术引入柔性电路的制造，并且对制造的柔性电路进行了机械性能的仿真模拟检测和结构优化。激光直写写出柔性电路的结构在用金属导电材料进行溅射后，用聚二甲基硅氧烷（PDMS）固化整个结构再从基片上撕下。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 柔性器件三维微结构的制备及其微观形貌

（a）三维微打印过程的示意图

（i）具有蛇形网络和电极片的三维结构设计图;

（ii）3D微结构打印工艺，将波长为780nm的激光聚焦在光刻胶上，利用双光子吸收对光刻胶进行固化;

（iii）生成三维蛇形网络;

（iv）溅射含有10nm铬和200nm铜的金属涂层。

（b）3D打印微观结构的扫描电镜图

（i）整个结构的俯视图；（ii）网状蛇形结构；（iii）接合处；（i v）整个结构的侧视图；

（v）网状蛇形结构侧视图；（vi）结合处侧视图。

小结：本文的柔性结构由一个蛇形网络和四个电极组成。所有电极尺寸相同：240μm×240μm（宽×长），厚18μm。蛇形网络由36个带状拱形元素组成（6×6），每种元尺寸为150μm（长）×52μm（高）×20μm（宽），带状物的厚度为4μm。因此，三维微观结构的整体尺寸为1.2 mm×1.2 mm×52μm。

图二 3D打印蛇形网络器件的制作工艺、光学图像、透光率和电阻

（a）用PDMS固化结构并从玻璃衬底上剥离PDMS后，获得厚度为0.75 mm的柔性电路

（b）放在手上的柔性结构

（c）折叠柔性结构

（d）将柔性结构与管径分别为5.50mm、3.50mm、2.50mm和1.25mm的不同管子贴合在一起

（e）柔性结构的光学透过率测试，可见光区的透光率在90%以上

（f）柔性结构的电学性能测试，该器件的相邻电阻和对角线电阻分别为24.6 Ω和28.7 Ω。

小结：选择聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性基板和封装材料，在70℃的烘箱中固化一小时后，具有3d打印结构的PDMS从玻璃基板上撕下。获得的导电薄膜具有良好的透光性，在极易折叠情况下不受损。

图三 柔性结构的机械变形

（a）演示机械变形，包括拉伸、弯曲和扭转

（b）采用力学模拟进行Cu层在（b）拉伸，（c）弯曲和（d）扭转过程中的有限元分析

小结：上述器件的力学性能足以满足穿戴技术的实际应用，但其拉伸性能仍不理想。为了提高三维器件的可拉伸性，通过对有限元分析的系统研究，优化了三维打印微结构的几何结构。

图四 优化后的三维网格结构中两个周期蛇形单元的截面图示意图

图五 拉伸优化后的两种微观结构的拉伸、弯曲和扭曲

小结：两种优化结构拉伸、弯曲和扭转过程中Cu层应变分布的有限元分析在机械有限元分析的指导下，优化的三维蛇形带结构可以实现13.8%拉伸、160°弯曲和32°扭转的机械公差。

—— ||| 点评||| ——

本文提出了用激光直写技术制作应用于可穿戴式传感器中的三维柔性电路，在结构优化的基础上可制造出尺寸更小、拉伸性更好、透光性好的电路。基于激光直写的3D打印具有小型化、操作灵活等优势，可以更多地运用于微型结构的制造。

文献链接：3D printed microstructures for flexible electronic devices

Nanotechnology（2019.7）

Yiming Liu, Yeshou Xu, Raudel Avila, Chao Liu , Zhaoqian Xie , Lidai Wang and Xinge Yu

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ab2d5d