有源电子元件（可以控制电信号的元件）通常包含接收、存储和处理信息的半导体器件。这些元件必须在洁净室中制造，需要先进的制造技术，而除了少数专业制造中心外，这种技术并不广泛存在。
在 COVID-19 疫情期间，半导体制造设施缺乏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着这个方向迈出了重要的一步，他们展示了完全 3D 打印的可复位保险丝，这是通常需要半导体的有源电子产品的关键组件。这项研究发表在《虚拟与物理原型》杂志上。
研究人员使用标准 3D 打印硬件和廉价的可生物降解材料制作的无半导体设备可以执行与有源电子器件中用于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 打印设备可以用于调节电动机速度等基本控制操作。
“这项技术确实有潜力。虽然我们无法与硅半导体竞争，但我们的想法不一定是要取代现有的技术，而是将 3D打印技术推向未知领域。简而言之，这实际上是关于技术民主化。这可以让任何人都远离传统制造中心来制造智能硬件，”麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 首席研究科学家、该论文的资深作者 Luis Fernando Velásquez-García 表示。
与他一同撰写该论文的还有电气工程和计算机科学研究生、第一作者 Jorge Cañada。
一个意想不到的项目
半导体（包括硅）是一种具有电特性的材料，可以通过添加某些杂质来定制。硅器件可以具有导电区和绝缘区，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构件。
然而，研究人员并未着手 3D 打印能够像硅基晶体管一样运行的非半导体设备。
该项目源于另一个项目，他们使用挤压打印制造磁线圈，该过程是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，即掺杂有铜纳米颗粒的聚合物细丝。
如果他们向材料中通入大量电流，材料就会出现巨大的电阻峰值，但电流停止后不久就会恢复到原来的水平。
这一特性使工程师能够制造出可以用作开关的晶体管，而这种功能通常只与硅和其他半导体有关。晶体管通过打开和关闭来处理二进制数据，用于形成执行计算的逻辑门。
“我们发现这可以帮助将 3D 打印硬件提升到一个新的水平。它提供了一种明确的方法，使电子设备具有一定程度的‘智能’，”Velásquez-García 说道。
研究人员尝试用其他 3D 打印细丝复制同样的现象，测试了掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最终，他们找不到其他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，材料中的铜粒子会散开，从而导致电阻值激增，而当材料冷却且铜粒子靠得更近时，电阻值又会下降。他们还认为，材料的聚合物基体在加热时会从结晶变为非晶态，然后在冷却时恢复结晶状态——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，因为它无法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存在的，”他说。
3D 打印有源电子产品
该团队利用这一现象只需一步即可打印开关，可用于形成无半导体逻辑门。
这些设备由铜掺杂聚合物的细小 3D 打印线制成。它们包含相交的导电区域，使研究人员能够通过控制输入开关的电压来调节电阻。
虽然这些器件的性能不如硅基晶体管，但它们可以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 次开关循环，这些器件也没有出现任何性能下降的迹象。
但根据挤压打印的物理原理和材料的特性，研究人员能够制造的开关尺寸是有限的。他们可以打印出几百微米的设备，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，许多工程情况并不需要最好的芯片。归根结底，你关心的只是你的设备是否能完成任务。这项技术能够满足这样的约束，”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，而且该过程消耗的能量更少，产生的废物也更少。聚合物细丝还可以掺杂其他材料，如磁性微粒，从而实现额外的功能。
未来，研究人员希望利用这项技术打印出功能齐全的电子产品。他们正努力仅使用挤压式 3D 打印技术制造出一台可以工作的磁力马达。他们还希望对这一过程进行微调，以便能够构建更复杂的电路，并看看他们能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制造有源电子设备。这项技术可以将电子设备内置到 3D 打印结构中。一个有趣的应用是按需 3D 打印航天器上的机电一体化设备，”斯坦福大学 William E. Ayer 工程名誉教授 Roger Howe 表示，他没有参与这项工作。
发表于 2024-10-16 12:07:06