基于PμSL技術的微米級可拉伸電子一體化制造

柔性可拉伸電子器件具有可彎曲、可拉伸和可扭曲的優異力學特性，其在生物醫學工程、機器人技術、人機界面等各個領域的應用重要性日益凸顯。常見制備方法一方面是開發本征可拉伸的導電材料，例如摻雜導電納米材料的軟彈性體、導電聚合物和水凝膠等。但是，這些新型材料通常電導率較低、機電穩定性能較差和易對實際應用中的電信號造成干擾。另一方面則是通過構建如平面蛇形等幾何結構來提升傳統導電材料（包括金屬等）在力學服役下的最大可拉伸應變。雖然以上兩種（結合）方法都已有大量報道，然而大部分的可拉伸電子受限于加工方式的難度，制備的結構大多集中在二維平面尺度，限制了可拉伸電子在三維方向的應用擴展。

近日，香港城市大學機械工程學系陸洋，南方科技大學葛锜與西安電子科技大學高立波等合作報道了一種相對便捷、靈活和可批量制造的可拉伸微電子的高精度制作方法。通過利用摩方精密開發的基于面投影微立體光刻（PμSL）的3D打印技術（nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China），實現了一種通用的微加工工藝，可以以2μm的高分辨率獲得以前無法實現的復雜3D幾何形狀。后續結合磁控濺射工藝，可制備3D導電結構，該結構具有出色的可拉伸性（~130％）、貼合性、穩定的導電性（在100％拉伸應變下電阻變化小于5％），以及循環載荷下的穩定性。與2D結構相比，3D微結構具有緊湊的幾何形狀，并且其可以在平面外自由變形的特點使適應更大的拉伸應變成為可能。

圖1. 基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印的可拉伸微電子的制作過程：3D幾何設計、PμSL 3D打印、磁控濺射導電金屬薄膜、組裝和應用

此外，利用基于PμSL的3D打印技術可以制作高度復雜幾何結構的優勢，該方法可實現集成電路的一體化制造。例如，研究者們制造了由三維可拉伸微結構連接的復雜三維電容式壓力傳感器陣列。憑借其結構設計高通量性、加工方式便利性和器件制造一體化性，該研究成果在集成3D可拉伸電子系統上顯示出巨大的應用潛力。

圖2. 三維可拉伸導電微結構的力學和電學魯棒性測試：拉伸、彎曲、循環和面外壓縮加載下的電阻變化

圖3. 3D打印三維可拉伸電子網絡結構表征和變形能力測試

圖4. 三維可拉伸電容式壓力傳感器陣列示意圖、細觀實物圖和性能測試結果

該項研究成果獲得深圳市科創委基礎研究項目支持，以“Three-Dimensional Stretchable Microelectronics by Projection Micro Stereolithography (PμSL)”為題發表于新一期知名期刊《ACSApplied Materials & Interfaces》（香港城市大學王月皎博士生為第一作者）。