新型3D打印将电子元件集成于微通道，构建可拉伸微流控器件
2024-06-15 10:01:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
通过将液态金属注入包含嵌入式电子元件的3D多层微通道中，电导线与这些元件的自组装变得更加容易，从而实现了柔性和可拉伸液态金属线圈的流线型制造。
据麦姆斯咨询介绍，微流控结构从传统的2D到3D的转变是微流控领域的一项重大进步，该转变使科学和工业应用获益良多。微流控3D系统通过并行操作和软弹性网络（当填充液态金属等导电材料时）提高了其吞吐量，从而实现了微流控与电子元件的集成。
液态金属被注入到3D打印的微通道中，在3D导电网络和嵌入式电子元件之间形成电连接，从而制造出柔性、可拉伸的微流控电子器件，例如可贴附在皮肤上的近场通信（NFC）标签和无线发光装置
然而，传统的方法（如需要洁净室设施的软光刻制造）在实现全自动3D互联微通道方面存在局限性。该方法涉及手工程序，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型和层对层对准，限制了微流控器件生产过程中的自动化潜力。
3D打印是传统微流控制造方法的一个很有前景的替代方案。光聚合技术（例如立体光刻成型（SLA）和数字光处理（DLP））可以构建复杂的微通道。
虽然光聚合技术可用于柔性器件，但在基于光的打印过程中，集成以电子元件为代表的外部组件仍然存在挑战。
基于挤压的方法（例如熔融沉积成型（FDM）和直接墨水书写（DIW））可提供自动化制造，但在打印弹性中空结构方面遇到困难。关键的挑战是需要找到一种可平衡元件嵌入的柔软性、结构完整性及稳健性的墨水，以实现具有嵌入式功能的互联微流控器件的完全打印。
到目前为止，现有的3D打印技术还没同时具备如下两个功能：（1）在没有支撑材料和后处理的情况下直接打印互联的多层微通道；（2）在打印过程中集成电子元件。
据麦姆斯咨询报道，新加坡科技设计大学（SUTD）软流体实验室的研究人员在一项研究中解决了这两个重大挑战，相关研究以题为“Flexible and Stretchable Liquid-Metal Microfluidic Electronics Using Directly Printed 3D Microchannel Networks”的论文发表在《先进功能材料》期刊上。
1. 互联多层微通道的直接打印
研究人员对直接墨水书写3D打印的设置进行了优化，可创建硅酮密封胶的无支撑中空结构，确保挤压结构不会坍塌。他们进一步扩展了该演示范围，以制造具有层间通孔的互联多层微通道；该微通道（和电线）的几何形状通常用于电子元件，如无线通信的天线。
2. 电子元件的集成
另一个挑战是在3D打印过程中将电子元件集成到微通道中。这对于立即固化的树脂来说是很难实现的。
研究人员利用特定树脂逐渐固化的优势来嵌入和固定小型电子元件（例如RFID标签和LED芯片）。当液态金属被通过通道灌注时，这些元件与微通道的自对准可使得元件与电线实现自组装。
为什么这项技术很重要？
许多电子元件需要电导线的3D配置（例如线圈中的跳线），但这很难通过传统的3D打印方法实现。
新加坡科技设计大学的研究人员提出了一个简单的解决方案，以实现具有如此复杂配置的可拉伸微流控器件的制造。通过将液态金属注入包含嵌入式电子元件的3D多层微通道中，电导线与这些元件的自组装变得更加容易，从而实现了柔性和可拉伸液态金属线圈的流线型制造。
延伸阅读：