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世界首个3D打印电子元件即将诞生

3D打印已经不是什么新鲜的概念,这种技术开始被应用在模型制作、医疗电子、甚至是建筑行业当中。在最近,一部分科研人员实现了一项依托于3D打印的技术,成功打印出全球第一个3D打印电子元件。科研人员通过执行一些简单的3D列印(3D Printer),并利用了几只普通的注射器就实现了3D打印的无线感测器。

加州大学柏克莱分校(University of California Berkeley)和台湾国立交通大学(Taiwan’sNational Chiao Tung University)协同合作,开发了一个设置在牛奶盒瓶盖上的感测装置,以便用来监测牛奶是否变质。加州大学柏克莱分校教授暨柏克莱感测器与执行器中心(Berkeley Sensor & Actuator Center)副主任LiweiLin声称,这是第一次向世人证明,任何人都可以透过3D列印印出基本电子元件。

“我们已展示透过3D列印制作的一个电阻、电感和电容,并且可以用来架构成一个被动无线感测器的电路。”Lin表示,“诀窍是在列印时采用聚合物(Polymer)限定所需的3D结构,并且用蜡作为牺牲材料,以定义被动元件何处需要保留或剃除,然后将蜡融化,再用注射器注射银膏填补蜡融掉后形成的空缺。”

其他研究人员已使用导电聚合物印制3D电路,即如同一个电子元件,不过Lin表示,此种方法印出的元件效能,将永远不如使用真正金属作为导体的元件。Lin和他的同事也利用相同的技术制作打线(Wire)和孔洞(Via)以连接所有的元件到无线电阻-电感-电容(RLC)电路,当进行测试时,这个电路可实际运作。

用于概念验证原型的3D列印解析度约为30微米,以及被用于填充电子元件和内部互连的含银粒子液体浆料。列印产生的被动电路用于嵌入式电感-电容槽时,共振频率为530MHz,当牛奶变质,会显示4.3%的共振转移。

3D打印食物腐败检测器

研究人员使用3D列印机制造食物腐败检测器(用于牛奶盒),制造的方式为用注射器注入金属以实现电子元件。

透过轻轻摇动或旋转牛奶盒,牛奶盒瓶盖上的电容器顶板构成的感测器凹槽,会撷取到牛奶样品(如下图)。牛奶离开冰箱36小时后,和在冰箱冷藏的牛奶盒的谐振频率改变只有微不足道的0.12%相比,前面所谈的LC电路的谐振频率会出现4.3%的变化。

前述的LC电路频率是用一个手工绕线的射频(RF)读取线圈所测量,这个RF线圈为13圈的珐琅,并用1.15毫米的线缠绕成一个30毫米直径的核心。这个读取线圈在3毫米的距离内,连接到网路分析仪和感应耦合器,再到牛奶瓶盖。

3D列印出的电子元件

柏克莱感测器与执行器中心从3D列印机移出原型,这也是该单位声称世界第一个用3D列印印出,且可真正工作的电子元件。

其他一起在这计画中工作的研究人员还包括:实验室研究员Chen Yang和由台湾国立交通大学教授徐文祥指导的博士生吴松岳。

在接下来的研究中,研究者们将尝试使用金属材料来进行印制。对金属部件的打印将使用一种能同时处理聚合物与金属物的3D列印机,相信在不久的将来我们可以打印出可以完成不同任务的的植入性医疗设备。