印刷制造下一代柔性电子器件
2021-04-18 09:06:44 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

美国SonoPlot公司开发的Microplotters系统为下一代柔性电子产品（包括电极阵列、微流控应用、传感器和石墨烯电子器件等）的快速原型制作提供了一种独特制造方案。

据麦姆斯咨询介绍，能够精确沉积微小液滴的系统可用于将金属、有机电子、石墨烯纳米结构等材料印刷到各种基底上。美国SonoPlot公司是柔性印刷电子行业知名的微纳米材料沉积喷墨打印系统开发商，其开发的Microplotters系统为下一代柔性电子产品（包括电极阵列、微流控应用、传感器和石墨烯电子器件等）的快速原型制作提供了一种独特制造方案。

印刷制造下一代柔性电子器件

从生物电子到石墨烯器件，越来越多新兴的柔性电子应用都要求能够将导电、介电和半导体材料精确沉积到各种柔性基底上。对于这些应用，与接触印刷相比，非接触印刷制造通常可以提供更低的成本和材料损耗。不过，广泛应用的丝网印刷和喷墨印刷方案在均匀性和图案分辨率方面通常表现不佳。

SonoPlot公司开发的Microplotters系统提供了一种替代制造方案。Microplotters台式系统采用独特的超声波谐振释放机制，可以沉积皮升量级的各种油墨，包括金属纳米颗粒、导电聚合物、石墨烯纳米结构等很多材料的悬浮液。这种独特印刷技术的特征尺寸可以覆盖5~200 μm，结合高精度定位系统，沉积特征不均匀度低至10%。与丝网印刷和喷墨技术相比，Microplotters在精度、灵活性和成本方面具有显著优势。

微流控应用的印刷电子

微流控已成为操纵小体积液体的成熟技术。20世纪初，微尺度液体流动的基本问题得到了很好的解决，现代微流控技术研究的重点是开发包含多种流体、机械和/或电子元件的“集成”器件。

这类器件能够将房间大小的实验室功能整合到一颗仅芯片大小的微流控器件中。这些器件通常被称为“芯片实验室”或微型全分析系统，具有广泛的应用前景，包括生物和化学分析以及即时医疗诊断等。

然而，电子技术和微流体技术的整合并没有那么简单。微流控器件通常由非常适合构建微流控通道的弹性材料（如塑料和硅橡胶）制成，能够用于开发柔性生物相容性器件。

而另一方面，电子元件的主要制造材料通常是刚性的。传统的半导体、绝缘体和金属导体在机械上并不匹配采用柔性、变形性材料的微流控器件。这限制了集成电子/微流控器件的机械变形性和可靠性。

为了解决这类问题，业界开发了共轭聚合物（CP）和有机场效应晶体管（OFET）等很多柔性聚合物基电子材料应用于微流控器件。这类材料与微流控基材的机械兼容性更强，还可以兼容非接触印刷技术。

Microplotters系统是制造集成电子/微流控器件的理想方案，具有所需要的精度和均匀性，并兼容非常广泛的材料，包括用于聚合物电子的各种材料。Microplotters提供了标准喷墨打印机无法比拟的性能：能够在沉积过程中对聚合物薄膜进行原位修饰，可以打印真正连续的线条（与喷墨打印机不同，喷墨打印机需要多个液滴合并）。

印刷微电极阵列

微电极阵列（MEA）是一种包含数十到数千个微电极的小型器件。MEA的高电极密度使其适用于各种生物电子学应用，特别是可以在体外读取和/或刺激神经元的神经植入物。此类器件最有前景的应用可能是帮助恢复生物功能的生物医学植入物。2016年，曾有实验利用这类器件成功缓解了脊柱损伤灵长类动物的步态缺陷。

不过，此前的大部分MEA器件研究通常基于硅或聚合物材料，这些材料的生物相容性较差，它们的物理和机械特性可能导致神经元的炎症反应或功能丧失。为了解决这个问题，最近很多研究集中在具有更高生物相容性的柔性MEA方向。

通过将碳电极沉积在聚二甲基硅氧烷（PDMS）和水凝胶上，喷墨印刷已成功用于生物电子MEA接口的开发。然而，喷墨印刷技术通常需要较高的操作成本，才能达到此类应用所需要的均匀性和精确度。SonoPlot公司的Microplotters系统能够以更低的成本提供更高的性能，这使得它们成为制造柔性MEA和其他生物医学器件的理想候选技术。并且，Microplotters系统可以打印标准喷墨印刷使用的所有油墨，以及其它各种油墨。

用石墨烯印刷下一代电子器件

美国密歇根州立大学（Michigan State University）的研究人员通过使用Microplotters系统成功打印了基于石墨烯的集成电路和薄膜晶体管，展示了该系统在可打印柔性电子领域的能力。其研究小组使用SonoPlot公司的Microplotters系统将碳纳米管悬浮液滴沉积在了PDMS基底上。

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