SUTD利用直寫3D打印將電子設(shè)備集成到微通道中，實現(xiàn)可拉伸印刷電路的自動化制造

2024年9月1日，南極熊獲悉，來自新加坡科技設(shè)計大學(xué) (SUTD)軟流體實驗室的研究人員開發(fā)了一種制造具有3D互連網(wǎng)絡(luò)的微流控電子器件的方法，解決了從傳統(tǒng)2D結(jié)構(gòu)過渡到3D結(jié)構(gòu)以推進微流體技術(shù)的挑戰(zhàn)。這些3D系統(tǒng)通過并行操作和軟彈性網(wǎng)絡(luò)提高了吞吐量，當填充液態(tài)金屬等導(dǎo)電材料時，可以實現(xiàn)微流體和電子設(shè)備的集成。

相關(guān)研究成果以題為“Flexible and Stretchable Liquid-Metal Microfluidic Electronics Using Directly Printed 3D Microchannel Networks”的論文被發(fā)表在《先進功能材料》雜志上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311219

然而，傳統(tǒng)方法（例如需要潔凈室設(shè)施的軟光刻制造）在實現(xiàn)全自動 3D 互連微通道方面存在局限性。這些方法中涉及的手動程序（包括聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 成型和層對層對準）阻礙了微流控設(shè)備生產(chǎn)的自動化潛力。

傳統(tǒng)的光聚合技術(shù)，例如立體光刻設(shè)備 (SLA)和數(shù)字光處理 (DLP)，雖然能夠創(chuàng)建復(fù)雜的微通道制造柔性設(shè)備，但在基于光聚合的打印過程中，集成電子元件等外部組件仍是一個難題。

熔融沉積成型 (FDM) 和 直接墨水書寫 (DIW)等基于擠壓的方法可以實現(xiàn)自動化制造，但在打印彈性空心結(jié)構(gòu)方面卻面臨困難。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是找到一種墨水，既要兼顧嵌入組件的柔軟度，又要兼顧結(jié)構(gòu)完整性的堅固性，以實現(xiàn)完全打印、互連的微流體設(shè)備并具有嵌入功能。

研究人員介紹，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)還未能同時實現(xiàn)無需支撐材料或后處理的互聯(lián)多層微通道的直接打印，以及打印過程中電子元件的集成。

直接打印互連多層微通道

在研究過程中，DIW 3D打印的設(shè)置經(jīng)過優(yōu)化，為硅酮密封膠創(chuàng)建了無支撐空心結(jié)構(gòu)——確保擠出的結(jié)構(gòu)不會坍塌。研究團隊進一步擴展了這一演示，制造了層間有通孔的互連多層微通道；這種幾何形狀的微通道（和電線）通常是無線通信天線等電子設(shè)備所必需的。

另一個挑戰(zhàn)是在 3D 打印過程中將電子元件集成到微通道中——使用立即固化的樹脂很難實現(xiàn)。研究團隊利用逐漸固化的樹脂來嵌入和固定小型電子元件（例如 RFID 標簽和 LED 芯片）。當液態(tài)金屬通過通道灌注時，這些元件與微通道的自對準使元件與電線能夠自組裝。

雖然許多電子設(shè)備都需要 3D 結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線，例如線圈中的跳線，但通過傳統(tǒng)的 3D 打印方法很難實現(xiàn)這一點。SUTD 研究團隊提出了一種簡單的解決方案來實現(xiàn)具有如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)備。通過將液態(tài)金屬注入包含嵌入式電子元件的 3D 多層微通道，可以促進導(dǎo)線與這些元件的自組裝，從而簡化柔性和可拉伸液態(tài)金屬線圈的制造。

為了體現(xiàn)該技術(shù)的實際優(yōu)勢，該團隊使用市售的皮膚膠帶作為基材，并采用體積小巧（21.4 毫米×15 毫米）的獨立式柔性無線發(fā)光裝置，制作出可附著在皮膚上的 RFID 標簽。

首次演示強調(diào)了該解決方案能夠在廣泛接受、醫(yī)學(xué)認可的平臺上自動生產(chǎn)可拉伸印刷電路的能力。制造的 RFID 標簽即使在 1,000 次拉伸應(yīng)力循環(huán)（50% 應(yīng)變）后仍表現(xiàn)出較高的 Q 因子（~70），這顯示出在反復(fù)變形和粘附皮膚的情況下的穩(wěn)定性�；蛘�，研究團隊設(shè)想將小型、靈活的無線光電子器件用作生物表面和管腔上的醫(yī)療植入物，用于光動力療法。

該論文的主要作者、新加坡科技設(shè)計大學(xué)的 Kento Yamagishi 博士表示： “我們的技術(shù)將提供一種新功能，實現(xiàn)由液態(tài)金屬組成的電路 3D 配置的可拉伸印刷電路的自動化制造�！�

SUTD 副教授兼首席研究員 Michinao Hashimoto 表示：“彈性多層微通道的 DIW 3D 打印將能夠自動制造具有 3D 通道排列的流體裝置，包括多功能傳感器、多材料混合器和 3D 組織工程支架�！�