與傳統(tǒng)的平面印刷電路板不同，3D 電路可垂直堆疊和集成元件，從而大大減少了設(shè)備所需的空間。為了推動(dòng) 3D 印刷電路的發(fā)展，新加坡國立大學(xué) (NUS) 的一組研究人員開發(fā)了一種最先進(jìn)的技術(shù)，稱為張力驅(qū)動(dòng) CHARM3D，用于制造三維 (3D) 自修復(fù)電子電路。這項(xiàng)新技術(shù)可以 3D 打印獨(dú)立金屬結(jié)構(gòu)，而無需支撐材料和外部壓力。

由新加坡國立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系副教授 Benjamin Tee 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)使用Field 的金屬展示了 CHARM3D 如何制造各種電子產(chǎn)品，從而可以在可穿戴傳感器、通信系統(tǒng)和電磁超材料等設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。

例如，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，CHARM3D 促進(jìn)了非接觸式生命體征監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)——在實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測的同時(shí)，提高了患者的舒適度。在信號傳感方面，它優(yōu)化了 3D 天線的性能，從而改善了通信系統(tǒng)，提高了醫(yī)學(xué)成像的準(zhǔn)確性，并增強(qiáng)了安全應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)的研究成果于 2024 年 7 月 25 日發(fā)表在《自然電子》雜志上 。Tee 副教授是該研究論文的通訊作者。

更簡化的 3D 電路制造方法

3D 電子電路日益成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，從電池技術(shù)到機(jī)器人技術(shù)再到傳感器，增強(qiáng)了其功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的小型化。例如，3D 架構(gòu)具有較大的有效表面積，可提高電池容量并增強(qiáng)傳感器靈敏度。

直接墨水書寫 (DIW) 是一種很有前途的 3D 打印技術(shù)，目前用于制造 3D 電路，但它也存在重大缺陷。關(guān)鍵在于它使用復(fù)合墨水，這種墨水的電導(dǎo)率低，需要支撐材料來幫助打印后固化。這些墨水也太粘稠，限制了打印速度。

菲爾德金屬是一種由銦、鉍和錫組成的共晶合金。共晶合金在低于其組成金屬熔點(diǎn)的單一溫度下熔化和凝固，為 3D 打印提供了一種頗具吸引力的替代材料。菲爾德金屬的熔點(diǎn)低至 62 攝氏度，導(dǎo)電性高，性低，與復(fù)合油墨不同，凝固速度快，這一關(guān)鍵特性使打印過程無需支撐材料和外部壓力。

CHARM3D 技術(shù)利用 Field 金屬的低熔點(diǎn)，充分利用噴嘴中熔融金屬與打印部件前緣之間的張力，最終形成均勻、光滑的微絲結(jié)構(gòu)，寬度可調(diào)，為 100 至 300 微米，大約相當(dāng)于一至三根人類頭發(fā)的寬度。至關(guān)重要的是，CHARM3D 中也沒有出現(xiàn)壓力驅(qū)動(dòng) DIW 特有的珠狀和不平整表面等現(xiàn)象。

與傳統(tǒng)的 DIW 相比，CHARM3D 的打印速度更快，高達(dá) 每秒 100 毫米，分辨率更高，從而在電路制造中提供更高的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確性。CHARM3D 省去了后處理步驟，可以制造復(fù)雜的獨(dú)立 3D 結(jié)構(gòu)，例如垂直字母、立方體框架和可擴(kuò)展螺旋。此外，這些 3D 架構(gòu)具有出色的結(jié)構(gòu)保持力和自修復(fù)能力，這意味著它們可以自動(dòng)從機(jī)械損壞中恢復(fù)，并且可以回收利用。

Tee 副教授表示：“CHARM3D 提供了一種更快、更簡單的 3D 金屬打印方法，作為先進(jìn)電子電路制造的解決方案，為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和復(fù)雜 3D 電子電路的廣泛應(yīng)用帶來了巨大的希望。”

深遠(yuǎn)的應(yīng)用

研究人員成功打印了用于可穿戴無電池溫度傳感器的 3D 電路、用于生命體征監(jiān)測的天線和用于電磁波縱的超材料——捕捉到了 CHARM3D 所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用多樣性。

傳統(tǒng)的醫(yī)院設(shè)備(如心電圖儀和脈搏血氧儀)需要皮膚接觸，這可能會(huì)導(dǎo)致不適和感染風(fēng)險(xiǎn)。通過 CHARM3D，非接觸式傳感器可以集成到智能服裝和天線中，在醫(yī)院、輔助生活設(shè)施或家庭環(huán)境中提供持續(xù)、準(zhǔn)確的健康監(jiān)測。

此外，通過 CHARM3D 制造的 3D 天線陣列或電磁超材料傳感器可以優(yōu)化信號傳感和處理應(yīng)用。這可以提高信噪比和帶寬。該技術(shù)開辟了創(chuàng)建用于定向通信的專用天線的可能性，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)成像，例如用于早期腫瘤檢測的微波乳房成像，以及高級安全應(yīng)用，例如檢測隱藏設(shè)備或發(fā)射特定電磁特征的違禁品。

此項(xiàng)研究的其他合作者包括美國科學(xué)技術(shù)研究局高性能計(jì)算研究所的劉莊建博士和北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系的邁克爾·迪基教授。

后續(xù)步驟Next steps

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想，這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)展到其他類型的金屬和結(jié)構(gòu)應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)還在尋找機(jī)會(huì)將這種獨(dú)特的金屬打印方法商業(yè)化。