采用噴墨打印技術(shù)制造出的光波導(dǎo)

  需求背景

  由于該新型噴墨打印技術(shù)可用于制造電子和微流體，研究團(tuán)隊(duì)相信亦能實(shí)現(xiàn)光電傳感器等器件的制造。這些光電傳感器可用于健康監(jiān)測和芯片上實(shí)驗(yàn)室器件的制造(在這些器件中能夠在一個(gè)小型電路或芯片上集成和自動(dòng)化操作多個(gè)實(shí)驗(yàn)室功能)。

  面臨挑戰(zhàn)

CSEM的Fabian Lütolf說：“使用噴墨打印技術(shù)，打印的位置和尺寸均可設(shè)定，也沒有材料的浪費(fèi)。但墨水的表面張力使其難以打印有特定高度的線條，而這對(duì)于波導(dǎo)的制造是必須的。”Lütolf解釋道，由于表面張力，沉積在襯底上的墨水往往鼓起或分離，但我們的兩步技術(shù)方法能夠?qū)⒃擖c(diǎn)轉(zhuǎn)化為一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢。

技術(shù)核心

研究人員表示沉積墨水分為兩步，而非一步，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有特定高度、具有更平滑特性的線條的打印。研究人員打印了被稱為釘帽(pinning cap)的小液滴。這些球形帽可釘住在第二步打印中由墨水形成的液體橋，制造出能夠固定墨水和阻止在打印線條中出現(xiàn)鼓起的結(jié)構(gòu)。在沉積了一系列液滴后，第二步驟中的墨水打印通過在第一步打印液滴間進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)以減小其表面能量。

技術(shù)優(yōu)勢

與此前的墨水打印方法不同，研究人員不需要預(yù)先定義襯底圖形，可增加可用設(shè)計(jì)空間和簡化制造。除了在兩點(diǎn)之間打印出直線，研究人員表示該技術(shù)能夠用于連接三點(diǎn)或更多交叉點(diǎn)來制造更多角度。該技術(shù)可打印由丙烯酸類高聚物組成的2.5維光波導(dǎo)，也能夠使用其他金屬墨水來制造電子或滿足生物可降解應(yīng)用的蔗糖混合物。

成果評(píng)估

為了評(píng)估新的打印方法，研究人員制造出一個(gè)120毫米寬、31毫米高的聚合物波導(dǎo)。經(jīng)過測量，波導(dǎo)的光損失為0.91dB/cm，只比現(xiàn)有使用光刻技術(shù)制造出的波導(dǎo)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Lütolf說：“波導(dǎo)能夠在短距離進(jìn)行光傳輸，而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于這樣的應(yīng)用可以容忍現(xiàn)有損失水平�！�

技術(shù)缺陷

研究人員表示，可實(shí)現(xiàn)的最小波導(dǎo)受限于噴頭所碰觸的墨水滴尺寸。對(duì)于研究所用打印機(jī)，最小波導(dǎo)約為40微米，高度約為10微米。Lütolf說：“在我們現(xiàn)有材料和硬件的組合中，無法制造出小于10微米的波導(dǎo)，而這是單模傳輸?shù)牡湫鸵�求，但是我們已�?jīng)很接近了。不過，并沒有基礎(chǔ)性物理限制來阻止我們打印單模波導(dǎo)�！盠ütolf表示，一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)驗(yàn)證電流體動(dòng)力學(xué)打印可實(shí)現(xiàn)亞微米范圍的打印能力，并相信有望通過將這些噴墨打印技術(shù)的組合來制造出單模波導(dǎo)。

意義

Lütolf.說：“噴墨打印不需要光刻技術(shù)所需的掩膜版，更易于連接器件。而且，如果你希望能夠更快測試一個(gè)想法或改變一個(gè)參數(shù)，增材制造方法如噴墨打印只需要改變數(shù)字設(shè)計(jì)�！�

Lütolf說：“我們的方法可使用單個(gè)噴頭制造出帶有多個(gè)功能的器件，為在芯片上制造出整個(gè)集成的電路鋪平道路�！边@意味著光電器件能夠附著到柔性混合電子器件上，光源或探測器等光子器件也能夠集成到打印的光子電路中。

下一步工作

研究團(tuán)隊(duì)正尋求優(yōu)化打印方法和墨水，以進(jìn)一步減少波導(dǎo)的光損失。他們還尋求將打印過程更適用于大規(guī)模制造，并最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)制造。