作者
张婉清#，张玲#，廖亚斌，程寰宇*
# 共同第一作者
* 通讯作者
单位
美国宾夕法尼亚州立大学
英国格拉斯哥大学
哈尔滨工业大学
引用
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).
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac1158
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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。
02
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。
03
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。
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。
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。
04
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。
05
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