清华冯雪团队三维曲面电子制造取得突破, PNAS专栏报道

2023-08-17 03:08

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7月27日，清华大学柔性电子技术实验室冯雪教授团队在《科学进展》（Science Advances）上在线发表了题为“用于三维曲面电子器件的包裹式转印方法”（Wrap-like transfer printing for three-dimensional curvy electronics）的研究成果。该论文提出了一种包裹式曲面转印方法，利用花瓣状印章将平面电路通过花瓣包裹目标球体，实现三维曲面电子器件的制造。论文结合几何关系与力学分析设计出低褶皱、低应力、全包裹的花瓣印章，给出了三维曲面电子器件和对应的二维电路图案之间的空间映射关系，在自主设计的装置上实现了球形天线、球面LED阵列及球面太阳能电池阵列，展示出该方法在高性能三维曲面电子器件的制造方面的应用潜力。

三维曲面电子器件在生物医疗、结构健康监测、宽场成像等方面有广泛应用前景。目前，三维曲面电子器件制备方法可以分为直接法和拼接法。直接法包括3D打印和全息光刻等，直接在三维曲面上进行电子材料图案化。拼接法先剪纸将平面电路图案离散，再拼接实现曲面共形集成。受限于电子材料性能、制备工艺复杂和曲面覆盖度不足等问题，制造三维曲面电子器件仍面临挑战。

用转印实现三维曲面电子器件可以直接与半导体工艺兼容，更容易实现高性能三维曲面电子器件。在此基础上，研究团队提出了一种基于包裹式曲面转印的三维曲面电子器件制备方法（图1）。首先利用半导体工艺制备出平面电路，并将其转移到花瓣印章上待集成到三维目标表面。同时在自制的圆筒装置上利用气压撑开一段弹性膜（好比吹气球），弹性膜和圆筒之间的空气从圆筒侧面预留的小孔排出，弹性膜与圆筒壁完全贴合后，将小孔封闭。在弹性膜和筒壁之间形成一定程度负压，弹性膜在大气压作用下紧贴圆筒内壁。将平面电路和球体对准放入圆筒内部。随后打开圆筒壁小孔，外部空气在大气压作用下进入膜壁之间的负压环境，预张紧的弹性膜在压差变化下自然回缩，驱使花瓣印章对目标表面进行自动包裹（好比糖纸包裹糖果），从而实现平面电路到球面的转移，得到三维曲面电子器件。包裹转印过程中压力场均匀而轻柔，既确保整个球面全覆盖，又不会对硬脆的电子器件或薄弱的连接处造成损坏。

图1. 包裹式转印过程示意图

平面花瓣印章在包裹非可展曲面时，由于高斯曲率不适配，不可避免将产生褶皱和畸变，对包裹式转印的共形效果造成很大影响。基于有限元仿真和实验研究，研究团队对花瓣印章的关键参数进行了优化，包括印章的瓣数、几何轮廓、厚度等。结果表明，通过合理提高花瓣厚度、增加花瓣瓣数、以及对花瓣进行预切割，可以抑制花瓣印章的起皱行为。但在实际应用中，无限制提高花瓣瓣数以及进行预切割会极大提升器件的设计布局难度，降低该方法的通用性。综合考虑共形效果和器件空间布局，6花瓣（印章厚度500 μm，弹性模量2.4 MPa）是较为优选的印章参数。

包裹式转印过程中花瓣印章的应变和构型变化

球形天线具有较大的波束宽度和工作带宽，可以提高通信质量和覆盖范围，可广泛应用于移动通信领域。利用该方法，研究团队设计并制备了球形天线。实验数据表明，该方法可高精度、完整地实现球形天线的各种设计。通过改变平面电路的特征尺寸（包括线距和线宽），可以调控球面天线的电磁性能。增大球面天线的线距和线宽，可以提高天线的工作频率，增大带宽，改善辐射效率。制造出的球形天线具有较好的电磁特性，在1.51GHz的谐振频点，具有0.16GHz的绝对带宽，10.6%的相对带宽，设计的天线频点与实物天线仅差0.03GHz。由于球体结构的良好对称性，球面天线在辐射空间呈现出良好的全向性。

图2. 球面天线

在球面光电器件方面，利用包裹式转印方法，研究团队制备了球面LED阵列（5×6，LED面内尺寸1 mm×1 mm，GaAs衬底）。转印前后单个LED的开启电压几乎不发生变化，展示出良好的工作特性，验证了转印方法的可靠性。另外基于包裹式转印方法，研究团队还制备了球面太阳能电池阵列（10×6，太阳能电池面内尺寸1 mm×1 mm）。球面太阳能电池不仅能接收直射光的能量，还能吸收背景材料的反射光，在不同角度的光源下，该器件均能保持稳定的能量输出（图3），展示出三维曲面电子器件的性能优势。

图3. 球面太阳能电池阵列

论文在线发表后，冯雪教授团队受邀接受《美国国家科学院院刊》（PNAS）专访，8月4日在该刊Front Matter栏目以“糖果纸启发的曲面电子大规模制造技术进步”（Curvy electronics come a step closer to mass production with inspiration from candy wrappers）为标题进行专题报道。报道将包裹式转印方法比喻成糖纸包裹糖果，生动地介绍了如何利用该研究成果制造三维曲面电子器件。该报道还采访了其他相关领域的学者，美国夏威夷大学马诺阿分校（University of Hawaiʻi at Mānoa）的机械工程教授Tyler Ray指出三维曲面电子器件制造面临的关键挑战之一是如何将电子元件集成到人们关心的三维物体上。该成果提出的包裹式转印方法巧妙地解决了这一难点，利用传统的二维方法制造传感器，然后将它们集成到三维物体上，有望促进三维曲面电子器件大规模量产。这种方法的优点在于它基于成熟可控的半导体工艺制造技术，而3D打印将更加耗时，单位成本更高。美国亚利桑那大学图森分校（University of Arizona in Tucson）的生物医学工程师Philipp Gutruf评价这篇论文提供的可量产制备方法和设计准则极具价值。他表示将平面电子器件包裹到三维物体上已有尝试，比如将无线调控和监测的器件与老鼠心脏集成，而这篇论文提出的可量产制备方法极具新颖性，球形器件的设计准则极具实用性。