麻省理工学院研究人员在全 3D 打印有源电子器件方面取得突破

电子与传感器内幕

这些设备由 3D 打印的铜掺杂聚合物薄迹制成。它们包含交叉导电区域，使研究人员能够通过控制馈入开关的电压来调节电阻。 （图片：研究人员提供）

有源电子器件（可以控制电信号的组件）通常包含接收、存储和处理信息的半导体器件。这些组件必须在洁净室中制造，需要先进的制造技术，而这些技术在少数专业制造中心之外无法广泛使用。

在 Covid-19 大流行期间，缺乏广泛的半导体制造设施是全球电子产品短缺的原因之一，这推高了消费者的成本，并对从经济增长到国防的各个方面产生了影响。无需半导体即可 3D 打印整个有源电子设备的能力可以将电子制造带入全球的企业、实验室和家庭。

虽然这个想法还很遥远，但麻省理工学院的研究人员已经朝这个方向迈出了重要的一步，他们展示了完全 3D 打印的自恢复保险丝，这是通常需要半导体的有源电子产品的关键组件。

研究人员使用标准 3D 打印硬件和廉价的可生物降解材料生产的无半导体设备，可以执行与用于有源电子设备处理操作的基于半导体的晶体管相同的开关功能。

尽管距离达到半导体晶体管的性能还很远，但 3D 打印设备可用于基本控制操作，例如调节电动机的速度。

麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 首席研究科学家、描述 3D 打印技术的论文的资深作者 Luis Fernando Velásquez-García 表示：“这项技术具有真正的优势。虽然我们无法与作为半导体的硅竞争，但我们的想法不一定是取代现有技术，而是将 3D 打印技术推向未知领域。简而言之，这实际上是技术民主化。这可以让任何人在远离传统制造中心的地方创建智能硬件。”设备，出现在虚拟和物理原型中。 该论文的主要作者 Jorge Cañada 是一名电气工程和计算机科学研究生。

包括硅在内的半导体是具有电特性的材料，可以通过添加某些杂质来调整电特性。硅器件可以具有导电区域和绝缘区域，具体取决于其设计方式。这些特性使硅成为生产晶体管的理想材料，而晶体管是现代电子产品的基本组成部分。然而，研究人员并没有着手 3D 打印可以像硅基晶体管一样工作的无半导体设备。

该项目源于另一个项目，其中他们使用挤压印刷制造磁性线圈，在该过程中，打印机熔化细丝并通过喷嘴喷射材料，逐层制造物体。他们在所使用的材料中发现了一个有趣的现象，即掺杂有铜纳米粒子的聚合物丝。如果他们将大量电流传递到材料中，材料会表现出巨大的电阻尖峰，但在电流停止后不久就会恢复到原来的水平。

这种特性使工程师能够制造可以用作开关的晶体管，这通常只与硅和其他半导体相关。晶体管通过开关来处理二进制数据，用于形成执行计算的逻辑门。

研究人员试图用其他 3D 打印丝复制同样的现象，测试掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最终，他们找不到另一种可以用作自恢复保险丝的可打印材料。

他们假设，当材料被电流加热时，材料中的铜颗粒会扩散，从而导致电阻峰值，当材料冷却并且铜颗粒相互靠近时，电阻会下降。他们还认为，材料的聚合物基体在加热时会从结晶态转变为非晶态，然后在冷却时又恢复到结晶态，这种现象被称为聚合物正温度系数。

“目前，这是我们最好的解释，但这并不是完整的答案，因为这并不能解释为什么它只发生在这种材料组合中。我们需要做更多的研究，但毫无疑问，这种现象是真实的，”他说。

该团队利用这一现象一步打印开关，可用于形成无半导体逻辑门。这些设备由 3D 打印的铜掺杂聚合物薄迹制成。它们包含交叉导电区域，使研究人员能够通过控制馈入开关的电压来调节电阻。

虽然这些器件的性能不如硅晶体管，但它们可用于更简单的控制和处理功能，例如打开和关闭电机。他们的实验表明，即使经过 4,000 次开关周期，这些器件也没有表现出恶化的迹象。

但基于挤出印刷的物理原理和材料的特性，研究人员能够制造的开关有多小是有限的。他们可以打印几百微米的设备，但最先进的电子产品中的晶体管直径只有几纳米。

“现实情况是，有很多工程情况不需要最好的芯片。归根结底，你所关心的只是你的设备是否可以完成任务。这项技术能够满足这样的限制，”他说。

然而，与半导体制造不同的是，他们的技术使用可生物降解的材料，该过程使用的能源更少，产生的废物也更少。聚合物丝还可以掺杂其他材料，例如磁性微粒，这可以实现额外的功能。

未来，研究人员希望利用这项技术来打印功能齐全的电子产品。他们正在努力仅使用挤压 3D 打印来制造可工作的磁电机。他们还希望微调该流程，以便构建更复杂的电路，并看看可以将这些设备的性能提升到何种程度。

“这篇论文表明，可以使用挤压聚合物导电材料来制造有源电子设备。这项技术使电子设备能够内置到 3D 打印结构中。一个有趣的应用是航天器上机电一体化的按需 3D 打印，”斯坦福大学威廉·E·艾尔工程荣誉教授 Roger Howe（未参与这项工作）说道。

来源