麻省理工学院实现全3D打印无半导体逻辑门与可复位保险丝

2024年10月16日，南极熊获悉，麻省理工学院（MIT）的研究人员在有源电子产品的制造领域取得了突破，利用3D打印技术显著推进了可控制电信号的电子元件的生产。

△3D打印导电迹线在高电流作用下的行为示例

在该项目中，研究人员成功展示了完全3D打印的可复位保险丝，这是有源电子设备中通常需要半导体的关键部件。该研究展示了使用标准3D打印硬件和廉价可生物降解材料制作的无半导体设备，能够执行与传统基于半导体的晶体管相同的开关功能。

尽管目前该技术的性能还无法与硅半导体相媲美，但它在调节电动机速度等基本控制操作方面已展现出潜力。该研究的主要作者、麻省理工学院微系统技术实验室首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García指出，这项技术并非旨在取代现有技术，而是将3D打印技术推向新的应用领域，实现技术的民主化。

这一进展为全球的企业、实验室和家庭提供了新的可能性，使它们能够利用3D打印技术制造智能硬件，而无需依赖传统的制造中心。

△该研究论文已发表在《虚拟和物理原型》期刊上，题目为“无半导体、单片3D打印逻辑门和可复位保险丝”

3D打印开启无半导体电子设备新时代

半导体材料，如硅，因其独特的电特性而被广泛应用于现代电子设备中。通过添加特定杂质，可以定制导电和绝缘区域，从而使其成为制造晶体管的理想材料。晶体管是构成现代电子产品的基本单元，负责处理二进制数据并形成执行计算的逻辑门。

然而，研究人员最初并非旨在通过3D打印技术制造出能够像硅基晶体管一样工作的无半导体设备。他们的研究源于另一个项目，使用挤压打印技术制造磁线圈。在这一过程中，他们发现了一种有趣的材料特性：掺杂了铜纳米颗粒的聚合物细丝。这种材料在通入大量电流时，电阻会急剧上升，但在电流停止后不久又会恢复到原始水平。这一现象引起了工程师们的极大兴趣，因为它可以被用来制造开关。

△PPTC现象的简化图。为了清晰起见，图中没有考虑大多数聚合物的半结晶性质（即它们通常由结晶相和非晶相组成）

研究人员指出，这种特性可以帮助将3D打印硬件提升到一个新的水平，为电子设备赋予一定程度的“智能”。他们尝试使用其它3D打印细丝复制同样的现象，包括掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物，但最终发现只有掺杂铜纳米颗粒的聚合物细丝能够表现出类似自恢复保险丝的行为。

他们推测，当材料被电流加热时，铜粒子会散开，导致电阻值激增；而当材料冷却且铜粒子相互靠近时，电阻值又会下降。此外，他们还假设材料的聚合物基体在加热时会从结晶状态变为非结晶状态，冷却后又恢复结晶状态，这种现象被称为聚合物正温度系数。
尽管目前这是他们最好的解释，但研究人员承认这并非完整的答案。他们表示，为什么这种现象只发生在这种特定的材料组合中尚不清楚，需要进一步的研究来验证。尽管如此，这种现象是真实存在的。

△3D打印的Cu掺杂PLA迹线中PPTC效应的表征

3D打印有源电子产品

该团队利用这一现象，在单一步骤中成功打印出可用于形成无半导体逻辑门的开关。这些开关由掺杂铜的聚合物制成的薄3D打印线组成，并包含相交的导电区域。这使得研究人员能够通过控制输入开关的电压来调节电阻。

尽管这些器件的性能不如硅基晶体管，但它们足以胜任更简单的控制和处理功能，例如开关电机。实验表明，即使经过4千次开关循环，这些器件也未出现任何性能下降。

然而，由于挤压打印的物理原理和材料特性，麻省理工学院的研究人员目前能够制造的开关体积有限。他们可以打印出几百微米的设备，但最先进的电子产品中的晶体管直径只有几纳米。不过，与传统半导体制造不同，他们的技术使用可生物降解的材料，且过程能耗更低，产生的废物也更少。此外，聚合物细丝还可以掺杂其他材料，如磁性颗粒，以实现额外功能。

斯坦福大学的William E. Ayer工程名誉教授Roger Howe评论道：“该研究展示了使用挤压聚合物导电材料制造有源电子设备的可能性。这项技术可以将电子设备直接内置到3D打印结构中。一个有趣的应用是按需3D打印航天器上的机电一体化设备。”

未来，麻省理工学院的研究人员计划利用这项技术打印出功能齐全的电子产品，并希望仅使用挤压式3D打印技术制造出一台可以正常工作的磁力马达。他们还计划对这一过程进行微调，以构建更复杂的电路，并探索这些设备性能的极限。