2015-07-23 全球首個3D列印電子元件

研究人員已經證實如何透過幾個簡單的指令到3D列印(3D Printer)(和在任何藥房即可取得的注射器),讓使用者可以打造自己的無線感測器。

 

為了證明這個想法,加州大學柏克萊分校(University of California Berkeley)和台灣國立交通大學(Taiwan’s National Chiao Tung University)協同合作,開發了一個設置在牛奶盒瓶蓋上的感測裝置,以便用來監測牛奶是否變質。加州大學柏克萊分校教授暨柏克萊感測器與執行器中心(Berkeley Sensor & Actuator Center )副主任Liwei Lin聲稱,這是第一次向世人證明,任何人都可以透過3D列印印出基本電子元件。

 

「我們已展示透過3D列印製作的一個電阻、電感和電容,並且可以用來架構成一個被動無線感測器的電路。」Lin表示,「訣竅是在列印時採用聚合物(Polymer)限定所需的3D結構,並且用蠟作為犧牲材料,以定義被動元件何處需要保留或剃除,然後將蠟融化,再用注射器注射銀膏填補蠟融掉後形成的空缺。」

 

其他研究人員已使用導電聚合物印製3D電路,即如同一個電子元件,不過Lin表示,此種方法印出的元件效能,將永遠不如使用真正金屬作為導體的元件。Lin和他的同事也利用相同的技術製作打線(Wire)和孔洞(Via)以連接所有的元件到無線電阻-電感-電容(RLC)電路,當進行測試時,這個電路可實際運作。

 

用於概念驗證原型的3D列印解析度約為30微米,以及被用於填充電子元件和內部互連的含銀粒子液體漿料。列印產生的被動電路用於嵌入式電感-電容槽時,共振頻率為530MHz,當牛奶變質,會顯示4.3%的共振轉移。

 

透過輕輕搖動或旋轉牛奶盒,牛奶盒瓶蓋上的電容器頂板構成的感測器凹槽,會擷取到牛奶樣品(如下圖)。牛奶離開冰箱36小時後,和在冰箱冷藏的牛奶盒的諧振頻率改變只有微不足道的0.12%相比,前面所談的LC電路的諧振頻率會出現4.3%的變化。

 

前述的LC電路頻率是用一個手工繞線的射頻(RF)讀取線圈所測量,這個RF線圈為13圈的琺瑯,並用1.15毫米的線纏繞成一個30毫米直徑的核心。這個讀取線圈在3毫米的距離內,連接到網路分析儀和感應耦合器,再到牛奶瓶蓋。

 

接下來,Lin將嘗試列印金屬材料,該元件的其餘部分同時使用可處理這兩種聚合物和金屬的3D列印機印出。為了證明此一概念,Lin希望3D列印可以製造可監測血壓、肌肉拉傷、藥物濃度和類似醫療參數的植入性醫療裝置。

 

其他一起在這計畫中工作的研究人員還包括:實驗室研究員Chen Yang和由台灣國立交通大學教授徐文祥指導的博士生吳松岳。