采用喷墨打印技术制造出的光波导

  需求背景

  由于该新型喷墨打印技术可用于制造电子和微流体，研究团队相信亦能实现光电传感器等器件的制造。这些光电传感器可用于健康监测和芯片上实验室器件的制造(在这些器件中能够在一个小型电路或芯片上集成和自动化操作多个实验室功能)。

  面临挑战

CSEM的Fabian Lütolf说：“使用喷墨打印技术，打印的位置和尺寸均可设定，也没有材料的浪费。但墨水的表面张力使其难以打印有特定高度的线条，而这对于波导的制造是必须的。”Lütolf解释道，由于表面张力，沉积在衬底上的墨水往往鼓起或分离，但我们的两步技术方法能够将该点转化为一个技术优势。

技术核心

研究人员表示沉积墨水分为两步，而非一步，以实现对有特定高度、具有更平滑特性的线条的打印。研究人员打印了被称为钉帽(pinning cap)的小液滴。这些球形帽可钉住在第二步打印中由墨水形成的液体桥，制造出能够固定墨水和阻止在打印线条中出现鼓起的结构。在沉积了一系列液滴后，第二步骤中的墨水打印通过在第一步打印液滴间进行自对准以减小其表面能量。

技术优势

与此前的墨水打印方法不同，研究人员不需要预先定义衬底图形，可增加可用设计空间和简化制造。除了在两点之间打印出直线，研究人员表示该技术能够用于连接三点或更多交叉点来制造更多角度。该技术可打印由丙烯酸类高聚物组成的2.5维光波导，也能够使用其他金属墨水来制造电子或满足生物可降解应用的蔗糖混合物。

成果评估

为了评估新的打印方法，研究人员制造出一个120毫米宽、31毫米高的聚合物波导。经过测量，波导的光损失为0.91dB/cm，只比现有使用光刻技术制造出的波导高一个数量级。Lütolf说：“波导能够在短距离进行光传输，而不是整个网络，对于这样的应用可以容忍现有损失水平。”

技术缺陷

研究人员表示，可实现的最小波导受限于喷头所碰触的墨水滴尺寸。对于研究所用打印机，最小波导约为40微米，高度约为10微米。Lütolf说：“在我们现有材料和硬件的组合中，无法制造出小于10微米的波导，而这是单模传输的典型要求，但是我们已经很接近了。不过，并没有基础性物理限制来阻止我们打印单模波导。”Lütolf表示，一些研究团队已经验证电流体动力学打印可实现亚微米范围的打印能力，并相信有望通过将这些喷墨打印技术的组合来制造出单模波导。

意义

Lütolf.说：“喷墨打印不需要光刻技术所需的掩膜版，更易于连接器件。而且，如果你希望能够更快测试一个想法或改变一个参数，增材制造方法如喷墨打印只需要改变数字设计。”

Lütolf说：“我们的方法可使用单个喷头制造出带有多个功能的器件，为在芯片上制造出整个集成的电路铺平道路。”这意味着光电器件能够附着到柔性混合电子器件上，光源或探测器等光子器件也能够集成到打印的光子电路中。

下一步工作

研究团队正寻求优化打印方法和墨水，以进一步减少波导的光损失。他们还寻求将打印过程更适用于大规模制造，并最终实现商业制造。