.13ff2980-ea02-4d78-be10-d056d2ee100b.png)
柔软可变形传感器在曲面上的保形制造
doi: 10.1088/2631-7990/ac1158
作者简介:
程寰宇，博士，美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学（ESM）助理教授，材料研究院（MRI）成员（2015年8月起），同时受聘于材料科学与工程系（2016年2月起），机械工程系（2021年1月起），生物医学工程系（2021年2月起），建筑工程系（2021年5月起），增材制造与设计（2021年6月起）；被授予多萝西·奎格尔职业发展教授（2015年9月）。先后担任希瑞尔荣誉学院顾问（2015年8月起），加入宾夕法尼亚州立大学能源与环境研究所（2015年11月），计算机与数据科学研究所（ICDS）（2017年6月），先进光纤技术研究中心（2017年9月），生物设备中心（2020年2月），能源与环境工程研究所（E3I）（2020年3月），可持续发展研究所以及行星科学研究中心（PSSC）（2020年4月）。其跨学科研究通过开发新的可拉伸、保形、可穿戴、电子传感和设备技术，将材料、机械、电子和生物医学工程与生命科学和医学联系起来。自加入宾夕法尼亚州立大学，程寰宇博士与其学生及合作者共同发表50余篇期刊论文以及5本书的章节，其期刊论文总数达到100余篇，谷歌学术总引用量12900余次，H指数45。宾夕法尼亚州立大学任职期间，他的研究获得了诸多奖项，包括：2016年全球青年学院40岁以下科学家；2017年‘福布斯30under30’榜单；2020年PA Ben Franklin TechCelerator项目第一名；2020年第70届林岛会议；2021年Scialog Fellow；2021年TMS材料前沿奖；2021年应邀参加第四届世界顶尖科学家论坛；以及受邀参加美国国家科学院举办的第八届阿拉伯裔美国人科学、工程和医学前沿研讨会。
- 刊出日期: 2021-07-16
摘要:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
随着人们对柔软可变形传感器及其设备需求的不断增长，3D曲面的电子系统集成开始迅速发展。其可应用于生物集成设备，结构健康监测和3D多功能电子设备等。同时，其在复杂形状或者柔软，有层次结构，甚至可动态变化表面的制作与集成问题也受到广泛关注。为解决这一问题，科研人员通过研究各种可拉伸结构将电子产品集成到3D曲线表面上。此外，对新型纳米材料及其复合材料的探索进一步扩展了所制造器件的功能性。目前，基于保形电子器件的可拉伸结构与功能纳米材料已经有了广泛且详细的讨论，然而对复杂表面上的保形制造技术的全面概括仍是非常需要的。近期，宾夕法尼亚州立大学张婉清，张玲博士生，廖亚斌教授，程寰宇教授在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同发表《柔软可变形传感器在曲面上的保形制造》的综述，对目前先进的转印技术，直接保形印刷技术和其他新颖制造技术进行了全面的分析，对保形电子产品的最新发展进行了讨论。最后，作者提出了保形制造中的现有挑战和对其未来发展做出了进一步的展望。图1展示了基于曲面的柔软可变形设备的保形制造的最新进展。
图1. 柔软可变形传感器在曲面上的保形制造， 经许可转载，版权所有71-74 17，75-77。
2.研究背景
各种制造技术，例如接触印刷，纳米压印术和电子束曝光，已经被广泛应用于在2D平面基底上制造传感器和电子设备。但是由于平面制造的局限性，这些固有平面制造技术并不能直接应用在3D曲面上制造保形器件。科研人员们探索了各种可拉伸结构和新型纳米材料及其复合材料来解决这一挑战。在保形电子器件的制造过程中，常用的可拉伸结构包括波浪形几何形状，应变隔离，丝状蛇纹石形或网状设计，螺旋线圈和折纸式样。通过结合可拉伸结构与先进的转印技术，平面制造方法可以实现在复杂表面上的器件制造。广泛使用的纳米材料包括金属纳米线，碳纳米管，石墨烯，液态金属合金和有机薄膜。通过结合功能性纳米材料，各种直接印刷技术和书写方法相继提出，可用于复杂曲面上保形电子器件的制造。
3.最新进展
基于柔软可变形传感器的保形制造技术最新进展主要分为三个部分：转印技术，直接印刷技术和其他新颖技术如书写方法。在每个部分中，作者对其代表性方法和应用展开了详细讨论，对各个方法的优点和局限性进行了总结。
转印技术
转印技术通过将在平面基底上制备的微/纳米级薄膜器件集成到目标基底表面上，实现了通过使用平面制造技术在复杂3D曲面上进行保形电子器件的制造。通常来讲，这些转印技术操作简单并且具有相对较高的产率。图2，3，4，5分别展示了滚压印花，基于Cartan原理的转印，纳米转印和水转印。
图2. 使用充气的弹性气球作为保形图章的滚压印花技术，经许可转载，版权所有71.（a）示意图展示了使用充气的弹性气球作为保形图章的转印流程。（b）蛇纹石金属网状结构在不同弯曲曲面的应用。（c）Si颗粒阵列通过滚压印花被印刷在半球形外壳上
图3. 可将大面积的纹身状电极从可弯曲的布料供体基板转移到不可展曲面的Cartan转印技术，经许可转载，版权所有72.（a）Cartan转印技术原理图图及其（b）操作流程图。（c）使用Cartan转印和直接印刷术制作的图案的对比。（d）转印结果展示。
图4. 基于智能水凝胶粘合剂的纳米转印技术，经许可转载，版权所有73.（a）水凝胶示意图及其（b）可逆水合过程和脱水过程。（c）脱水过程中，水凝胶由于水和作用引起的自发弯曲和重新平展过程。（d）纳米转印技术在可穿戴电子器件上的应用及其（e）测试结果。
图5. 水转印.（a，b）使用水转印技术在弯曲电介质表面制造频率选择面，（a，b）经许可转载，版权所有74。（c，d）在基材边缘使用刚性薄膜导向装置来避免转印过程中的折叠问题，（c，d）经许可转载，版权所有106。
直接印刷技术
直接印刷技术解决了转印术由于需要多个转印步骤以及制造过程中发生不可避免的形变而导致的效率有限问题。图6，7，8展示了五轴印刷系统，实时电动直接印刷和立体光刻造型。
图6. 五轴印刷系统（a）五轴印刷设备示意图及其（b）3D表面转换至2D三角形面片的原理图。（c）具有阵列式喷嘴的五轴印刷设备示意图。（d）在印刷过程，由于气流导致的油墨漂移现象。（e）制造的天线阵列展示图，（c-e）经许可转载，版权所有75
图7. 实时电动直接印刷.（a，b）在自由移动的手上直接制造保形电子器件，（a，b）经许可转载，版权所有76。（c，d，e）在器官表面直接制造电阻抗断层扫描传感器，（c，d，e）经许可转载，版权所有128。
图8. 基于立体光刻造型的直接印刷技术。（a-c）与逐层软成型工艺相结合的保形直接印刷技术，（a-c）经许可转载，版权所129。（d-f）基于投影立体光刻的保形3D打印技术，（d-f）经许可转载，版权所有77。
其它先进制造方法
除转印术和直接印刷技术，还有其他可适用于复杂曲面的保形器件制造方法，比如喷涂镀膜和画写式皮肤电子产品。这些新颖的保形制造技术可以增强电子器件与目标界面的粘合力，并且易于操作。图9展示了运用书写工具如铅笔和纸完成制造的皮肤电子设备。图10展示了使用新型烧结辅助薄层在皮肤上直接制造的传感器。
图9. 皮肤电子产品的制造。（a，b）使用功能墨水制造的皮肤电子产品，（a，b）经许可转载，版权所有136。（c-e）使用纸笔制造的皮肤电子产品，（c-e）经许可转载，版权所有139
图10. 室温烧结检测人体健康的可穿戴设备的制造，经许可转载，版权所有17。（a-c）柔性人体传感器网络的概念设计以及测试结果。（d）能够通过撕或温水清洗的方法方便去除。
4.未来展望
从基于复杂3D表面的保形电子产品制造技术的最新进展来看，未来的研究应关注以下几个方面。1）在转印期间，将2D表面上的设计图案与曲面上的设计图案相关联仍然具有挑战性。基于拓扑方法和共性映射理论的自由形式周期性超颖表面的计算框架值得被探索。2）尽管已经有各种油墨用于保形电子产品的直接印刷，但是目前还有尚多纳米材料未被研究。3）挑战还存在于如何实现柔软可变形传感器与弯曲表面之间的牢固粘合。此外，4）用于保形瞬态电子器件的一系列功能可降解材料也值得被探索。
English Abstract
柔软可变形传感器在曲面上的保形制造
- Publish Date: 2021-07-16
-
Keywords:
- conformal manufacturing /
- soft deformable sensors /
- curved surfaces /
- transfer printing /
- direct printing and writing methods
Abstract:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
随着人们对柔软可变形传感器及其设备需求的不断增长，3D曲面的电子系统集成开始迅速发展。其可应用于生物集成设备，结构健康监测和3D多功能电子设备等。同时，其在复杂形状或者柔软，有层次结构，甚至可动态变化表面的制作与集成问题也受到广泛关注。为解决这一问题，科研人员通过研究各种可拉伸结构将电子产品集成到3D曲线表面上。此外，对新型纳米材料及其复合材料的探索进一步扩展了所制造器件的功能性。目前，基于保形电子器件的可拉伸结构与功能纳米材料已经有了广泛且详细的讨论，然而对复杂表面上的保形制造技术的全面概括仍是非常需要的。近期，宾夕法尼亚州立大学张婉清，张玲博士生，廖亚斌教授，程寰宇教授在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同发表《柔软可变形传感器在曲面上的保形制造》的综述，对目前先进的转印技术，直接保形印刷技术和其他新颖制造技术进行了全面的分析，对保形电子产品的最新发展进行了讨论。最后，作者提出了保形制造中的现有挑战和对其未来发展做出了进一步的展望。图1展示了基于曲面的柔软可变形设备的保形制造的最新进展。
图1. 柔软可变形传感器在曲面上的保形制造， 经许可转载，版权所有71-74 17，75-77。
2.研究背景
各种制造技术，例如接触印刷，纳米压印术和电子束曝光，已经被广泛应用于在2D平面基底上制造传感器和电子设备。但是由于平面制造的局限性，这些固有平面制造技术并不能直接应用在3D曲面上制造保形器件。科研人员们探索了各种可拉伸结构和新型纳米材料及其复合材料来解决这一挑战。在保形电子器件的制造过程中，常用的可拉伸结构包括波浪形几何形状，应变隔离，丝状蛇纹石形或网状设计，螺旋线圈和折纸式样。通过结合可拉伸结构与先进的转印技术，平面制造方法可以实现在复杂表面上的器件制造。广泛使用的纳米材料包括金属纳米线，碳纳米管，石墨烯，液态金属合金和有机薄膜。通过结合功能性纳米材料，各种直接印刷技术和书写方法相继提出，可用于复杂曲面上保形电子器件的制造。
3.最新进展
基于柔软可变形传感器的保形制造技术最新进展主要分为三个部分：转印技术，直接印刷技术和其他新颖技术如书写方法。在每个部分中，作者对其代表性方法和应用展开了详细讨论，对各个方法的优点和局限性进行了总结。
转印技术
转印技术通过将在平面基底上制备的微/纳米级薄膜器件集成到目标基底表面上，实现了通过使用平面制造技术在复杂3D曲面上进行保形电子器件的制造。通常来讲，这些转印技术操作简单并且具有相对较高的产率。图2，3，4，5分别展示了滚压印花，基于Cartan原理的转印，纳米转印和水转印。
图2. 使用充气的弹性气球作为保形图章的滚压印花技术，经许可转载，版权所有71.（a）示意图展示了使用充气的弹性气球作为保形图章的转印流程。（b）蛇纹石金属网状结构在不同弯曲曲面的应用。（c）Si颗粒阵列通过滚压印花被印刷在半球形外壳上
图3. 可将大面积的纹身状电极从可弯曲的布料供体基板转移到不可展曲面的Cartan转印技术，经许可转载，版权所有72.（a）Cartan转印技术原理图图及其（b）操作流程图。（c）使用Cartan转印和直接印刷术制作的图案的对比。（d）转印结果展示。
图4. 基于智能水凝胶粘合剂的纳米转印技术，经许可转载，版权所有73.（a）水凝胶示意图及其（b）可逆水合过程和脱水过程。（c）脱水过程中，水凝胶由于水和作用引起的自发弯曲和重新平展过程。（d）纳米转印技术在可穿戴电子器件上的应用及其（e）测试结果。
图5. 水转印.（a，b）使用水转印技术在弯曲电介质表面制造频率选择面，（a，b）经许可转载，版权所有74。（c，d）在基材边缘使用刚性薄膜导向装置来避免转印过程中的折叠问题，（c，d）经许可转载，版权所有106。
直接印刷技术
直接印刷技术解决了转印术由于需要多个转印步骤以及制造过程中发生不可避免的形变而导致的效率有限问题。图6，7，8展示了五轴印刷系统，实时电动直接印刷和立体光刻造型。
图6. 五轴印刷系统（a）五轴印刷设备示意图及其（b）3D表面转换至2D三角形面片的原理图。（c）具有阵列式喷嘴的五轴印刷设备示意图。（d）在印刷过程，由于气流导致的油墨漂移现象。（e）制造的天线阵列展示图，（c-e）经许可转载，版权所有75
图7. 实时电动直接印刷.（a，b）在自由移动的手上直接制造保形电子器件，（a，b）经许可转载，版权所有76。（c，d，e）在器官表面直接制造电阻抗断层扫描传感器，（c，d，e）经许可转载，版权所有128。
图8. 基于立体光刻造型的直接印刷技术。（a-c）与逐层软成型工艺相结合的保形直接印刷技术，（a-c）经许可转载，版权所129。（d-f）基于投影立体光刻的保形3D打印技术，（d-f）经许可转载，版权所有77。
其它先进制造方法
除转印术和直接印刷技术，还有其他可适用于复杂曲面的保形器件制造方法，比如喷涂镀膜和画写式皮肤电子产品。这些新颖的保形制造技术可以增强电子器件与目标界面的粘合力，并且易于操作。图9展示了运用书写工具如铅笔和纸完成制造的皮肤电子设备。图10展示了使用新型烧结辅助薄层在皮肤上直接制造的传感器。
图9. 皮肤电子产品的制造。（a，b）使用功能墨水制造的皮肤电子产品，（a，b）经许可转载，版权所有136。（c-e）使用纸笔制造的皮肤电子产品，（c-e）经许可转载，版权所有139
图10. 室温烧结检测人体健康的可穿戴设备的制造，经许可转载，版权所有17。（a-c）柔性人体传感器网络的概念设计以及测试结果。（d）能够通过撕或温水清洗的方法方便去除。
4.未来展望
从基于复杂3D表面的保形电子产品制造技术的最新进展来看，未来的研究应关注以下几个方面。1）在转印期间，将2D表面上的设计图案与曲面上的设计图案相关联仍然具有挑战性。基于拓扑方法和共性映射理论的自由形式周期性超颖表面的计算框架值得被探索。2）尽管已经有各种油墨用于保形电子产品的直接印刷，但是目前还有尚多纳米材料未被研究。3）挑战还存在于如何实现柔软可变形传感器与弯曲表面之间的牢固粘合。此外，4）用于保形瞬态电子器件的一系列功能可降解材料也值得被探索。
| 引用本文: |
Zhang W Q, Zhang L, Liao Y B, Cheng H Y. Conformal manufacturing of soft deformable sensors on the curved surface. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042001(2021).
|
| Citation: |
Zhang W Q, Zhang L, Liao Y B, Cheng H Y. Conformal manufacturing of soft deformable sensors on the curved surface. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 042001(2021).
|
下载:
