近年來，用于傳感領域的多維電子器件在生物接口（bio-interface）電子學和軟體機器人領域受到廣泛關注。其中，3D電子是新興的傳感器平臺之一，其特點是在自由目標表面上具有結構適應性和兼容性，從而空前提高了空間分辨率。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國先進材料研究所（RIAM）的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發表了題為“3D Electronic Sensors for Bio-Interfaced Electronics and Soft Robotics”的文章，綜述了最新報道的3D電子傳感器的材料、制造方法、應用前景。

圖1 3D電子傳感器的概念原理圖和下一代傳感應用的方法分類

3D電子傳感器件首先可以根據制造技術分為可打印和可變形兩類，并可以根據其性能和傳感器轉換成電信號的刺激類型進行進一步分類。

其中，3D打印是一種很有前途的技術，可以應用于制造獨立和任意結構的器件，而無需使用微加工工藝。該方法可以利用墨水書寫和光誘導聚合工藝，在任意襯底上構建無縫的電子器件單元，包括電路和光電器件等自由形狀微結構。此外，3D打印技術可以成功地用于直接打印刺激響應傳感器件，例如基于機械、熱、光學和射頻（RF）等原理的傳感器。同時，使用3D打印方法開發的具有特定形狀因素的電子傳感器，可以幫助開發具有仿生功能的人造器官。

在該論文中，作者總結了可印刷電子材料及其組成，以及它們在各個領域的應用前景，并介紹了用于智能監測和生物接口電子及軟體機器人開發的各種類型的3D打印多維傳感器。

圖2 3D打印電子墨水及其應用

圖3 用于形狀記憶和微流控應用的3D電子傳感器

圖4 使用3D打印電子器件制造的智能傳感系統

將2D系統轉換為3D模型的面外變形構造方法已廣泛應用于利用各種規模驅動力制造3D電子器件的過程。利用2D制造技術可以實現成形結構的按需表面空間分辨率。而面外變形技術是一種輔助技術，可以幫助解決3D打印技術的局限性。但是，該方法不能生成任意的3D物體，從而限制了該方法的應用前景。然而，兩種具有代表性的制造策略的互補關系表明，面外變形策略可以用于3D物體結構，以制造具有先進3D功能（例如可逆性、可擴展性和高響應性）的材料。

在此，作者總結了可變形電子傳感器的性能和應用前景，以及用于制造這些材料的面外變形技術的制造策略。

圖5 可變形平臺的多功能傳感性能

圖6 機器人、生物接口和環境傳感應用

最后，作者討論了以傳感器集成3D結構為特征的下一代可印刷和可變形電子傳感器的應用進展，并著重提出了未來需要解決的與該領域相關的四個挑戰。

首先，作者提出，為了實現3D電子傳感器的性能多樣化，應該開發各種材料，特別是與3D打印技術相關的材料。以往使用的打印填料主要由樹脂基體中的固態導電納米顆粒組成，這些材料不能用于開發氣態或高溫下可操作的材料。此外，各種未使用過的印刷材料在復合狀態下的性能優化還有待進一步研究。

其次，克服3D電子學的基本結構限制是一項挑戰。大多數屈曲結構是在復雜的程序結構下由彈性體襯底組成的。這阻礙了材料的應用前景以及將系統集成到各種傳感目標中的過程。在不久的將來，復雜3D幾何形狀的獨立結構和兼容的固定形狀薄膜材料的優化將成為研究的重點。

此外，結構材料的機械和電學穩定性是整個3D電子傳感器的關鍵挑戰。目前使用的3D打印方法是將導電材料隨機滲透到基礎樹脂中。這將導致電導率對應變刺激的高度敏感。而基于折疊的3D電子傳感器也存在與鉸鏈和折痕的機械穩定性相關的局限性。因此，需要選擇合適的材料，并提出優化的結構設計，以實現具有可靠機電性能的集成電子器件的穩定運行。

最后，3D系統若要實現微觀應用，在微觀尺度上實現高空間分辨率至關重要。如果了解了3D打印過程中制造的系統的形態，就可以解決納米級可擴展性方面的挑戰。與系統相關的問題可歸因于自下而上的擠出（通過噴嘴進行）和光固化工藝。納米級填料擠壓和光輻照技術的發展有助于推動3D打印研究領域的發展。

此外，可擴展性問題也出現在2D到3D可變形電子器件中，顯示了在屈曲情況下彈性體襯底與2D材料之間選擇性粘附的可控性問題。所以，應控制與鍵合/非鍵合位點相關的選擇性附著力，以達到預期的效果。目前所報道的屈曲結構在納米尺度上難以發揮精確位置和尺寸的粘附力，因此在微尺度下的制造有一定的局限性。當前，高分辨率附著力制造的發展，包括控制不必要的范德華力和毛細力，是3D電子學亟需攻克的方向。

審核編輯：劉清