基于PμSL技术的微米级可拉伸电子一体化制造

摩方精密

2021/03/05 10:44

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柔性可拉伸电子器件具有可弯曲、可拉伸和可扭曲的优异力学特性，其在生物医学工程、机器人技术、人机界面等各个领域的应用重要性日益凸显。常见制备方法一方面是开发本征可拉伸的导电材料，例如掺杂导电纳米材料的软弹性体、导电聚合物和水凝胶等。但是，这些新型材料通常电导率较低、机电稳定性能较差和易对实际应用中的电信号造成干扰。另一方面则是通过构建如平面蛇形等几何结构来提升传统导电材料（包括金属等）在力学服役下的最大可拉伸应变。虽然以上两种（结合）方法都已有大量报道，然而大部分的可拉伸电子受限于加工方式的难度，制备的结构大多集中在二维平面尺度，限制了可拉伸电子在三维方向的应用扩展。

近日，香港城市大学机械工程学系陆洋，南方科技大学葛锜与西安电子科技大学高立波等合作报道了一种相对便捷、灵活和可批量制造的可拉伸微电子的高精度制作方法。通过利用摩方精密开发的基于面投影微立体光刻（PμSL）的3D打印技术（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China），实现了一种通用的微加工工艺，可以以2μm的高分辨率获得以前无法实现的复杂3D几何形状。后续结合磁控溅射工艺，可制备3D导电结构，该结构具有出色的可拉伸性（~130％）、贴合性、稳定的导电性（在100％拉伸应变下电阻变化小于5％），以及循环载荷下的稳定性。与2D结构相比，3D微结构具有紧凑的几何形状，并且其可以在平面外自由变形的特点使适应更大的拉伸应变成为可能。

图1. 基于面投影微立体光刻（PμSL）3D打印的可拉伸微电子的制作过程：3D几何设计、PμSL 3D打印、磁控溅射导电金属薄膜、组装和应用

此外，利用基于PμSL的3D打印技术可以制作高度复杂几何结构的优势，该方法可实现集成电路的一体化制造。例如，研究者们制造了由三维可拉伸微结构连接的复杂三维电容式压力传感器阵列。凭借其结构设计高通量性、加工方式便利性和器件制造一体化性，该研究成果在集成3D可拉伸电子系统上显示出巨大的应用潜力。

图2. 三维可拉伸导电微结构的力学和电学鲁棒性测试：拉伸、弯曲、循环和面外压缩加载下的电阻变化

图3. 3D打印三维可拉伸电子网络结构表征和变形能力测试

图4. 三维可拉伸电容式压力传感器阵列示意图、细观实物图和性能测试结果

该项研究成果获得深圳市科创委基础研究项目支持，以“Three-Dimensional Stretchable Microelectronics by Projection Micro Stereolithography (PμSL)”为题发表于新一期国际知名期刊《ACSApplied Materials & Interfaces》（香港城市大学王月皎博士生为第一作者）。