液态金属基柔性电子器件3D同轴打印研究

摘要

柔性电子是指将传统电子的基层或导电材料进行柔性化设计后的电路或电子器件，因其良好的可延展性、适应性和便携性等诸多优点，近年来发展迅猛，已经成为研究热点。镓铟合金，室温下呈现液态，无毒，具有优异的流动性能和导电性能，是柔性电子中应用最为广泛的一类导电功能材料。但是镓铟合金表面张力大，易聚集成球，使得其打印性能较差。
　　本论文提出一种3D同轴打印制造柔性电子器件的新方法，柔性基材通过同轴打印喷头将液态金属包裹打印形成柔性导线，并利用3D打印机将柔性导线打印制造柔性器件，从而克服镓铟合金直接打印过程集聚的问题。本论文的主要研究内容如下:
　　1)搭建了基于3D同轴打印方法的柔性电子制造平台。根据工艺需求设计了运动模块、挤出模块、同轴打印喷头和工作台，并对开源固件进行修改以适应打印需求。
　　2)完成液态金属的打印工艺性能研究。分别研究了柔性基材料与液态金属的浸润性，柔性基材的表面微观形态以及材料挤出速度对打印效果的影响，并根据实验结果给出相应的材料选择标准和打印参数区间。
　　3)首次制造了一款柔性电感传感器。分析了该传感器的优势并介绍其打印方法。推导了该传感器在不同物理变化过程中的传感机理公式，搭建了综合静态性能评价系统并开发了基于LabView的综合数据采集分析软件对传感器静态性能进行系统评价。
　　4)演示了柔性传感器在位姿检测中的应用，并探索了3D同轴打印制造方法在其它方面的应用，展示了本方法在生物医疗、可穿戴设备等领域的应用潜力。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 柔性电子制造方法的发展历程

1．2．2 柔性电子打印材料的发展历程

1．2．3 柔性电子3D同轴打印制造方法研究现状

1．3 论文主要研究内容和框架

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 论文整体架构

第2章 柔性电子3D同轴打印制造平台

2．1 打印平台构造

2．2 打印平台硬件设计

2．2．1 运动模块设计

2．2．2 同轴打印喷头选用

2．2．3 挤出模块设计

2．2．4 工作台设计

2．3 控制软件优化

2．4 本章小结

第3章 液态金属的打印性能研究

3．1 材料表面接触性能

3．1．1 柔性基材表面浸润性

3．1．2 柔性基材表面微观形态

3．1．3 表面接触性能验证实验

3．2 液态金属同轴打印工艺探索

3．2．1 镓铟合金挤出速率对打印效果的影响

3．2．2 挤出速率对产品尺寸的影响

3．3 本章小结

第4章 基于3D同轴打印的柔性电感传感器

4．1 柔性电感传感器的特点与制造

4．1．1 柔性电感传感器优势及制造难点分析

4．1．2 柔性电感传感器制造

4．2 柔性电感传感器的结构变形传感机理

4．2．1 柔性电感传感器轴向拉伸变形传感机理

4．2．2 柔性电感传感器径向拉伸变形传感机理

4．2．3 柔性电感传感器弯曲变形传感机理

4．3 柔性电感传感器静态性能的评价

4．3．1 评价系统构造

4．3．2 评价的实施

4．3．3 评价结果分析

4．4 本章小结

第5章 3D同轴打印制造方法的应用

5．1 内窥镜位姿检测

5．2 手指弯曲状态检测

5．3 3D同轴打印制造方法在其它方面的应用

5．4 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士期间科研成果