基于曲面的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及電子器件組裝

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧教授課題組提出了一種在曲面上制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和電子器件的新策略。基于該策略課題組在十余種不同曲面上成功制備了幾十種基于高性能材料的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，并研制出連續(xù)可調(diào)的偶極子天線，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng)，以及附著于圓管內(nèi)表面的三維流體傳感器。

相關(guān)研究成果于8月10日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）以“基于曲面的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及電子器件組裝”（Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces）為題發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面。

在摩擦力傳感、微型機器人可控運動、寬視場光學(xué)成像和流速測量等眾多領(lǐng)域，基于三維立體結(jié)構(gòu)的微電子和光電子器件具有不可或缺的作用。近年來，研究者利用可控卷曲、折疊和屈曲變形等三維組裝技術(shù)，實現(xiàn)了基于高性能材料的三維結(jié)構(gòu)和器件的制造。然而，所得到的三維結(jié)構(gòu)主要是在平面基底上組裝成型的，無法直接轉(zhuǎn)移到另一個曲面上。目前，在任意曲面上組裝制造復(fù)雜三維電子器件仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧教授課題組提出了一種力學(xué)引導(dǎo)的逐級三維組裝策略，使得平面薄膜或器件可以在眾多三維曲面上變形為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)或器件，包括規(guī)則曲面（如半球面、圓柱面、螺旋面和雙曲面）和仿生曲面（如纏繞的藤蔓、人臉、類大腦、主動脈和心臟等）。該策略首先利用力學(xué)加載將曲面彈性基底變形為平面或圓柱形結(jié)構(gòu)，以便于平面薄膜的轉(zhuǎn)印與集成，并通過進(jìn)一步的單軸/雙軸預(yù)拉伸來驅(qū)動屈曲引導(dǎo)的三維組裝。將預(yù)先施加的載荷釋放，便會誘發(fā)逐級的三維組裝過程，并可通過定量的力學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測整個過程。

曲面上復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的逐級組裝策略。A圖為在人臉曲面上組裝成型三維裝飾面具；B圖為在螺旋曲面上組裝三維葉子狀結(jié)構(gòu)；C圖為在圓柱面的內(nèi)表面組裝三維螺旋線結(jié)構(gòu)；D圖為在莫比烏斯環(huán)上組裝仿生螞蟻結(jié)構(gòu)。

研究人員通過理論分析、有限元仿真和實驗對該逐級組裝策略的有效性進(jìn)行了驗證，在十余種不同曲面基底上設(shè)計制造了幾十種具有不同幾何構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)?；谶@一逐級組裝策略，還研制出頻率連續(xù)可調(diào)的偶極子天線，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng)，以及附著于管內(nèi)表面的三維流速傳感器。

A圖為在不同曲面上組裝的不同尺度不同材料的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（從左到右的比例尺為100m、200m、5mm、5mm和10mm）；B圖為與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng); C圖為在管內(nèi)表面的三維流速傳感器；D圖為連續(xù)可調(diào)的偶極子天線

清華大學(xué)航院張一慧教授為文章的通訊作者。清華大學(xué)航院博士后薛兆國（現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)副教授）、2019級博士生金天棨為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院2020級博士生徐世威、2017級博士生程旭、2019級博士生籍梓垚、2017級博士生龐文博、2019級博士生沈張明、2018級博士生帥雨萌，航院2014級本科生賀琪，以及航院博士后張帆、白柯、宋洪烈等參與了此項研究。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金委（原創(chuàng)探索計劃項目、創(chuàng)新研究群體和青年科學(xué)基金）、霍英東青年教師基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。