将柔性电路置于塑料基板上的可打印电子产品——几十年来的研究主题——已经取得了一定的成功。然而,商业用途仍然有限。现在,由麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究生Subramanian Sundaram领导的一个团队,正试图超越仅仅打印有源电路,使用结合了传感器和处理电路的柔性、可打印电子设备。印刷基板可以由不同的物质组成,这些物质以复杂而有规则的模式相互连接,从而拓宽了可用于印刷电子产品的材料范围。
作为概念的证明,他们建造了一种基片/电路组合装置,通过改变表面斑点的颜色来响应机械应力先进材料技术("3d打印的自主感官复合材料”).该设备的形状大致像一个T(见图)有一个宽的底座和一个细长的横木。
横杆由一种弹性塑料制成,横杆的长度是一条银条,电极连接在横杆的两端。T的底部由更硬的塑料制成,上面有两个印刷的晶体管和研究人员所说的“像素”。像素是一个圆形的半导体聚合物,当交叉条拉伸时,其颜色发生变化,从而改变了银条的电阻。
麻省理工学院的一项技术不仅可以打印有源电子器件,还可以打印支撑基板,从而可能实现完全集成的传感器/电路配对,并为每个功能使用优化的材料。(来源:麻省理工学院)
晶体管和像素由相同的材料制成,当交叉条拉伸时,晶体管的颜色会略有变化。然而,由于晶体管放大了来自横杆的微小电信号,像素显示的拉伸更加显著。Sundaram指出,演示可工作的晶体管至关重要,因为多传感器阵列将需要一些车载信号预处理,而不是简单地将原始采集数据传输到相关处理器。
印刷的晶体管由半导体通道组成,其上方是一个“门”——一根金属线,当带电时,会产生一个电场,使半导体在导电和非导电状态之间转换。这些晶体管用一层含钾盐的水把栅极和半导体分开。给栅极充电会将钾离子引入半导体,从而改变半导体的导电性。
与大多数新设备一样,从概念到实际制造的过程令人生畏。研究人员使用了该小组之前开发的定制3D打印机。该打印机包括两个不同的“打印头”,一个用于发射热材料,一个用于冷却,再加上一组紫外线发光二极管来“固化”打印头沉积的液体,从而生产基板。他们添加了一个铜和陶瓷加热器,这是沉积半导体塑料所必需的。
这种塑料悬浮在一种液体中,喷射到设备表面。然后加热器蒸发液体,留下一层只有200纳米厚的塑料。这层盐水将设备的工作电压降低到1.5 V,但也使其不太稳定。
Sundaram说:“我认为我们或许可以让它稳定工作两个月,”他补充说,“一种选择是用某种介于固体和液体之间的东西来替代这种液体,比如水凝胶。”