SUTD利用3D打印將電子設(shè)備集成到微通道中

2024年9月1日，南極熊獲悉，新加坡科技設(shè)計大學(xué)（SUTD）軟流體實驗室的研究人員宣稱，他們成功解決了從傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)過渡中的挑戰(zhàn)。這一進(jìn)展不僅推動了微流體技術(shù)的發(fā)展，還為微流控設(shè)備的自動化生產(chǎn)鋪平了道路。

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：“借助該技術(shù)，我們能夠自動化地制造由液態(tài)金屬組成的、能夠在三維空間中配置的、可拉伸的印刷電路。這種電路設(shè)計不僅可以在三維空間中構(gòu)建，還具備一定的柔性，能夠承受拉伸變形，同時其制造過程可以實現(xiàn)自動化。

△該研究已發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上，題目為“使用直接打印3D微通道網(wǎng)絡(luò)的柔性和可伸縮液態(tài)金屬微流體電子器件”（傳送門）

技術(shù)研發(fā)背景

傳統(tǒng)的2D微流體設(shè)備制造方法，如需要潔凈室設(shè)施的軟光刻技術(shù)，在實現(xiàn)全自動3D互連微通道時存在局限性。特別是涉及的手動程序，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型和層對層對準(zhǔn)，嚴(yán)重阻礙了微流控設(shè)備生產(chǎn)的自動化潛力。

在這一領(lǐng)域，光聚合技術(shù)，如立體光刻設(shè)備（SLA）和數(shù)字光處理（DLP），盡管能夠創(chuàng)建復(fù)雜的微通道并實現(xiàn)柔性設(shè)備，但在光基打印過程中集成電子元件等外部組件仍面臨挑戰(zhàn)。同時，基于擠壓的熔融沉積成型（FDM）和直接墨水書寫（DIW）方法雖然支持自動化制造，但在打印彈性空心結(jié)構(gòu)時面臨諸多困難，特別是在找到既具備柔軟度又具備結(jié)構(gòu)完整性的墨水方面。

SUTD的研究團(tuán)隊的最新成果展示了一種新型的3D打印技術(shù)，該技術(shù)突破了現(xiàn)有技術(shù)的限制，實現(xiàn)了無需支撐材料或后處理的多層微通道直接打印，同時支持電子元件的集成。這一進(jìn)展使得微流體設(shè)備的生產(chǎn)更加高效，并為未來的集成微流體和電子設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用提供了新的可能性。

△SLA和DLP 3D打印部件示意

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，以硅酮密封膠創(chuàng)建了無支撐的空心結(jié)構(gòu)，確保了擠出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊進(jìn)一步擴(kuò)展了這一技術(shù)，成功制造了具有層間通孔的互連多層微通道，這種幾何結(jié)構(gòu)對于無線通信天線等電子設(shè)備至關(guān)重要。

電子元件集成

在3D打印過程中，將電子元件集成到微通道中是一項挑戰(zhàn)，因為使用瞬間固化的樹脂很難實現(xiàn)這一目標(biāo)。為此，研究團(tuán)隊采用了逐漸固化的樹脂，以便在打印過程中嵌入并固定小型電子元件，如RFID標(biāo)簽和LED芯片。在液態(tài)金屬通過微通道注入時，這些元件能夠與通道自對準(zhǔn)，從而實現(xiàn)元件與電線的自組裝。

這項技術(shù)的含義

雖然，許多電子設(shè)備需要3D結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)線，例如線圈中的跳線，而傳統(tǒng)的3D打印方法很難實現(xiàn)這一點。SUTD的研究團(tuán)隊提出了一種簡單的解決方案，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，促進(jìn)了導(dǎo)線與這些元件的自組裝，從而簡化了柔性和可拉伸液態(tài)金屬線圈的制造。

為了證明該技術(shù)的實際優(yōu)勢，團(tuán)隊使用了市場常見的皮膚膠帶作為基材，并制作了一款體積小巧（21.4毫米×15毫米）的獨立式柔性無線發(fā)光裝置，作為可以附著在皮膚上的RFID標(biāo)簽。

首次實驗表明，該解決方案能夠在廣泛接受的、醫(yī)學(xué)認(rèn)可的平臺上自動生產(chǎn)可拉伸的印刷電路。制造的RFID標(biāo)簽即使在經(jīng)歷1000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（約70），顯示了在反復(fù)變形和貼附皮膚情況下的穩(wěn)定性。此外，研究團(tuán)隊還設(shè)想將小型、靈活的無線光電子器件用于生物表面和管腔上的醫(yī)療植入物，應(yīng)用于光動力療法。

SUTD副教授兼首席研究員Michinao Hashimoto表示：“彈性多層微通道的DIW 3D打印技術(shù)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�！�