用于打印瞬态传感器和无线电子设备的锌混合烧结工艺

2023-04-19 00:00:28　　点击量：

长三角G60激光联盟导读

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)研究人员对用于打印瞬态传感器和无线电子设备的锌混合烧结工艺的最新研究以“Zinc hybrid sintering for printed transient sensors and wireless electronics”为题，发表在《npj Flexible Electronics》上。

瞬态电子器件能够在外界触发条件下完全分解，可有效解决电子废弃物污染问题，在植入式医疗设备、环境监测系统和数据安全等领域中具有广阔的应用前景。但其制造仍然具有挑战性。本研究中，研究人员提出了一种可扩展和增材制造高导电瞬态金属锌迹的混合方法。通过打印沉积后，在使用酸性溶液还原氧化层，闪光灯退火处理将锌颗粒团聚成连续层。得到的烧结锌图形的导电性值高达5.62 × 106 S m?1。打印锌迹的导电性和耐久性使生物可降解传感器和LC电路的制造成为可能:温度、应变和无芯片无线力传感器，以及用于远程供电的射频感应线圈。该工艺可减少光子能量传递到衬底，并与温度敏感的聚合物衬底兼容，为生物降解电子产品和瞬态植入式的增材制造开辟了新的途径。

在这项研究中，报道了一组打印的物理传感器，包括电阻应变器和温度传感器，以及无线电容力和压力传感器。这项研究中提出的工艺有利地利用化学和物理机制来获得高导电(与热固化的铜或银墨水相当)的瞬态金属痕迹。

本文提出的烧结方法与通过粉末雾化工艺获得的市售微颗粒兼容，无需进一步的步骤，如球磨。这些锌微粒(平均直径2 μ m)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为粘结剂和戊醇作为溶剂混合，形成可打印的油墨。混合烧结依赖于以下两步工艺(图1a):(i)通过喷涂乙酸处理，以减少氧化层;(ii)光子烧结，其中以高强度脉冲光的形式传递能量，以实现颗粒团聚成连续的金属痕迹。SEM成像(图1b)显示了锌打印层的微观结构在加工步骤之间的演变。在打印和溶剂干燥后，可以清楚地观察到分离的颗粒。酸烧结只是轻微地改变了微观结构。在聚酰亚胺上打印的锌电阻上进行的初步实验表明，与单独使用电化学烧结相比，光子烧结的电导率提高了一个数量级以上(图1c)，无论是在空气或氮气下进行。在空气和氮气气氛中的结果是相当的，尽管在惰性气氛中达到更高的导电性(高出50%)。这种烧结方法与标准、纸张和可降解电子产品中使用的各种基片兼容(图1d)。这种多功能性以及与混合烧结工艺实现的显著导电性使其适用于可降解射频器件的制造。值得注意的是，研究人员展示了一种完全打印的生物可吸收LC电路，应用于无芯片压力传感以及可降解无线电源接收器(图1e)。

图1:混合锌烧结工艺描述。

在聚酰亚胺衬底上打印的电阻器上进行了用于电化学和光子烧结步骤的工艺参数的首次研究。如图2a所示，只有通过在N2中交替使用乙酸和干燥步骤才能获得电导率的提高。可以看到，在点胶后，由于多孔轨道被酸溶液浸泡，电阻开始增加，氮气干燥导致溶液干燥，锌离子在颗粒之间沉积。应用5到6次循环后，电导率达到饱和(图2b)。

图2:丝网印刷锌层烧结工艺研究。

可完全降解锌迹的灵活性和稳定性

重要的是，为了充分利用这一过程来烧结瞬态金属，它需要与温度和溶剂敏感的生物可吸收和生物可降解基质兼容。此外，研究人员还研究了锌在生物可吸收聚合物薄层上的烧结。锌杂化烧结聚乙酸乙烯酯(PVA)和聚乳酸(PLA)的结果如图3所示。

图3:Zn的混合烧结和瞬态基底上痕迹的稳定性。

电阻式和电容式无线瞬态传感器

用混合烧结方法制备的锌膜所获得的导电性、电稳定性和柔韧性增强，可用于在聚乳酸上制备简单的瞬态电阻传感器。图4a显示了电阻式应变传感器在压缩和拉伸过程中反复弯曲。

图4:由PLA封装的打印Zn制成的瞬态电阻物理传感器(R0=89.6±56.4 Ω， n=4)。

最后，研究人员证明了烧结的锌层与需要进一步固化和组装步骤的先进设备的制造兼容，例如多层软无线传感器。通过锌层的混合烧结实现原装置设计，如图5所示。介绍了一种基于生物可吸收柔性聚马来酸八亚甲基(酸酐)柠檬酸酯(POMaC)作为介质层的瞬态电容压力传感器。如图5a所示，电容式传感器的金属板和接触板在PLA上打印和处理，顶部通过叶片铸造沉积POMaC预聚体。

图5:基于锌混合烧结和柔性POMaC的生物可吸收电容传感器

总而言之，本研究中提出的瞬态金属烧结混合方法解决了在温度和水敏感基板上制造可降解电子器件相关的几个挑战。结合两种互补的烧结方法，即电化学和光子，可以克服每种方法的缺点，并实现出色的颗粒团聚。事实上，由于增强的颗粒内聚性，混合烧结使打印的瞬态金属具有迄今为止最高的导电性，以及较高的电阻温度系数。烧结工艺的可靠性与打印锌的稳定性相结合，使各种原始的和完全打印的和可生物降解的物理传感器得以实现，特别是瞬态温度和无线压力传感器，以及射频线圈和天线。为具有成本效益和环保的打印传感器应用铺平了道路，例如供应链或环境监测，以及使用数字增材制造处理的瞬态植入。