激光融合制造：柔性微纳传感“多面手”

本文聚焦激光融合制造，从全局视角讨论该工艺在柔性微纳传感器制造中的应用形式，依次介绍了激光增材、等材与减材三种制造方法，并重点分析加工机理与典型目标材料，突出了激光融合制造在柔性微纳传感中的技术优势。之后具体展示了激光融合制造在柔性物理、化学、电生理与多模态微纳传感器中的典型应用，并对相关研究及最新进展进行讨论。最后，针对该领域现存技术挑战与未来发展趋势进行总结与展望。

二、激光增材制造

激光增材制造，即利用激光作为局部能量源，将纳米前驱体材料加热熔融（还原），并经烧结、累加、逐层堆积形成功能结构。迄今为止，基于激光加工的增材制造技术已与各类纳米材料实现良好兼容，如纳米颗粒（NP）、纳米线（NW）、纳米管（NT）、纳米球等（图2）。 金属纳米油墨作为典型的纳米前驱体之一，主要包括以下几类：1）单元素金属纳米油墨：如Au、Ag、Cu、Zn纳米油墨等；2）金属氧化物纳米油墨：如CuO、NiO、Cu2O、ZnO纳米油墨等；3）核壳双金属纳米油墨；如Cu-Ag纳米油墨等；4）合金金属纳米油墨：如Cu-Ni合金纳米油墨、Au-Ag合金纳米油墨、液态金属合金纳米油墨等。

图2 激光增材制造技术特点及典型目标材料

三、激光等材制造

激光等材制造，即通过激光诱导界面反应，使材料在基本保持初始体量的同时改变其本征组织结构和物化特性。目前，基于激光加工的等材制造正广泛用于诱导改性碳基前驱体（如激光诱导石墨烯-LIG等），其生成产物具有良好力学性能与优异电化学特性，是柔性功能器件中最有前途的材料之一。而且，激光诱导碳化产物可转印至弹性聚合物（PDMS、Ecoflex、SEBS等），拓展了该技术的应用场景（图3）。 作为一种典型的等材制造方法，激光诱导碳基前驱体生成石墨烯及其衍生物将LIG合成和图案化一步融合，目前已拓展至包括含碳的多种聚合物（如PI、PEI、PAI、PEEK、PPS、PSU、PES、PPSU、PDMS、PR、PTFE等）、布料、纸张、食物、木材、树叶等前驱体中。

图3 激光等材制造技术特点及典型目标材料

四、激光减材制造

激光减材制造，即基于激光精确可控的热效应以及直接能量去除机制对材料进行热解、烧蚀、图案化刻写与微纳结构制造。其中，激光刻写/切割常用于获得特定轮廓形状图案和小尺寸、微型化器件；激光烧蚀/热解可实现高效、高质量去除材料，促进精密微加工；激光微纳织构可跨尺度形成多级复合结构，并动态调控材料的界面性能，如激光诱导周期表面结构（LIPSS技术）相较于烧蚀工艺可以生成更为复杂的表面纳米结构。基于激光加工的减材制造现被广泛应用于增强压力传感器性能、实现高分辨互联电路、构建微流控系统等功能元件（图4）。

图4 激光减材制造技术特点及典型目标材料

五、总结与展望

激光融合制造涵盖了光学工程、材料科学、机械制造等多学科内容，以多脉冲、多波长激光为工具，充分集成增材、等材、减材多形式加工特点，将敏感单元的高效沉积、材料介质的诱导改性与微纳结构的精密制造融为一体，为实现高性能柔性微纳传感器提供了有效解决方案。 虽然激光融合制造正在不断丰富和拓宽柔性微纳传感器的加工渠道，然而面向实际应用场景，其发展仍存在许多挑战，包括制造精度、制造效率、加工材料多样性等。总之，激光融合制造将加速柔性微纳传感器的创新与迭代，开辟柔性电子制造新路径，拓展激光加工应用新场景。

参考文献： 中国光学期刊网

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