高精度桌面微型绘图仪，用于印刷电子和设备功能化按需材料沉积

高精度桌面微型绘图仪，用于印刷电子和设备功能化中灵活的按需材料沉积

微型钢笔为活细胞、电路绘制微小图案

[导读]：

微结构化，特别是表面的添加剂功能化，例如导电或生物活性材料，在传感或印刷电子产品的许多应用中起着至关重要的作用。大多数情况下，光刻步骤是在将功能化表面组装到更大设备中所需的使用位置之前进行的，例如微流体通道或电子外壳。然而，如果这是不可能的，由于几何原因，大多数光刻技术都难以接近凹陷或倾斜/垂直的表面。这里提出了一种高度灵活、基于显微操作器的设置，用于导电和生物材料墨水配方的毛细管打印，可以解决各种几何形状，例如垂直、凹陷表面和堆叠 3D 支架作为难以接近的表面模型。通过选择毛细管尺寸和按需定制，可以获得从几十到几百微米的各种特征尺寸原位写入能力通过通过设置沉积的金线互连完成电路结构来证明。

过去十年见证了印刷器件的快速发展，全印刷小尺寸纳米/微机电系统（NEMS/MEMS）器件不断涌现。这些发展提高了开发直接打印技术以低成本制造这些设备并停止材料浪费的需求。随着这种增长，直接印刷技术也从令人着迷的科学好奇心转变为一种有价值、可靠且可商用的技术，在材料科学、印刷电子和生命科学等科学研究领域具有广泛的应用。印刷系统的应用包括柔性薄膜晶体管、有机发光二极管 (OLED) 阵列和晶体管，射频识别 (RFID) 和天线，摩擦纳米发电机，纳米光子电路，环境传感器，例如温度传感器，触觉传感器，二维力传感器，湿度传感器，压力传感器，生物传感器和可穿戴传感器，化学传感器, 以及各种其他生命科学应用，包括生物定位，活细胞的模式，和蛋白质组学。 所有这些设备和应用都需要在特定区域和形状中进行高精度沉积。

有许多印刷方法可以在给定的表面上添加特征，例如模板光刻，成型，压花，丝网印刷，荫罩印刷，卷对卷印刷、直写或增材制造，例如喷墨印刷，气溶胶印刷, 激光打印（烧蚀、选择性烧结或反应性化学工艺），基于电子束和聚焦离子束的打印，微接触印刷和聚合物笔光刻，纳米转移印刷，电喷雾沉积，电化学印刷, 和扫描探针光刻技术（具有不同的探针-表面相互作用机制，如机械、热、化学、蘸笔纳米光刻、氧化、偏置和磁性）。这些技术可以根据印刷方法分为接触式和非接触式印刷方法或常规和非常规印刷系统。除此之外，打印系统也可以根据技术大致分为两类：高科技和可访问技术。高科技和复杂的基于仪器的打印设置，例如市售的喷墨打印系统，价格昂贵；这些打印系统的打印机成本为 10 万欧元，而且维护成本高。对印刷技术的关注中心主要限于这些市售的高科技喷墨印刷系统。

因此，是时候开发一种低成本、可靠、易用直写印刷打印设备，卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT)展示了一种经济实惠的桌面技术，它可以将材料存放在传统打印机无法访问的地方。这种设置可以以可控的方式沉积材料，具有微米级分辨率、微米精度和最高的图案灵活性。使用此交钥匙打印设置，用户无需太多培训和帮助即可根据应用程序立即开始工作和打印。还在玻璃和 Kapton 薄膜柔性基板上展示了印刷的导电微阵列和金线。这些微点和线结构代表微电极、焊接半导体芯片以及可印刷和柔性电子产品的应用。

可以打印微结构的直观微写设备的进步可以对电路等进行图案化。该设置具有一个机械臂来固定微笔，将墨水沉积在表面上，就像用钢笔手写一样。

在《Review of Scientific Instruments》（“用于印刷电子和设备功能化中灵活按需材料沉积的高精度桌面微型绘图仪”）中，来自德国和中国的研究人员概述了灵活且易于使用的微型笔设置的开发，能够直接在表面上书写到微精确的水平。

打印设置：(a) 示意图和 (b) 实际设置的照片。该设置包括一个打印台，该台在样品区域上方带有一个 USB 网络摄像头，周围环绕着一个平台，用于在机械臂上携带玻璃毛细管的显微操作器。显微操作器通过控制单元连接到个人计算机 (PC)，并且可以通过手持控制器进行控制，同时可以在网络摄像头中监控毛细管在样品上的位置。

当墨水被吸入笔喷嘴时，微型笔被保持在墨水容器上。填充后，喷嘴被定位以在桌面表面上书写。

当笔碰到表面时，墨水从喷嘴转移，然后手动操纵机器人手臂以获得所需的图案。书写完成后，将笔从表面移开。

“该设置是一个例子，说明基于微操纵器的微图案化是多么容易和直观，以及如何访问与传统光刻方法不兼容的复杂结构，”作者迈克尔赫茨说。

“难以接近”表面的例子。(a) 用于展示垂直打印能力的 3D 打印基板支架的设计方案。(b) 带有显微操作器和墨水加载毛细管的实际垂直打印设置的照片。(c) 复杂支架结构的设计方案，以在普通打印机无法到达的区域展示打印能力。(d) 使用显微操作器和墨水加载毛细管再次拍摄实际的多级打印设置。

微阵列、线条、曲线和其他结构可以使用微笔实时打印，并可用于生物或微电子实验室，使用生物材料或导电墨水来对活细胞或电路进行图案化。该笔还具有潜在的应用，包括成型、压花、气溶胶印刷和喷墨印刷。

“通过使用我们的设置或类似设计的设置，可以快速且直观地在现有设备、微反应器或难以触及的表面上进行图案化，”Hirtz 说。“这种微型笔可以及时和合适地使用多种不同类型的墨水，使用户能够以可控的微精度水平书写。”

原位和按需写入。(a) 工作流程示意图：具有预结构化（手绘）银环氧树脂糊基电极的玻璃芯片嵌入金属立方体中，用作模型设备。然后使用微型绘图仪设置闭合电路，在所需电极之间写入 Au-NP 连接器线。然后将器件在熔炉和 LED 中固化，然后连接电源以演示创建的电路的功能。(b) 实际书写过程的照片和典型结果，显示了微型绘图仪获得的细金连接线。在 LED 和电源固化和组装后，演示电路的功能。

结论和未来展望

设计并实施了一个开源微打印系统，该系统允许在样本和设备上进行灵活且高度可访问的按需微绘图，否则传统的点样方法很难解决。该设置提供了简单的安装、配置和无忧操作，无需特殊培训，并提供具有竞争力的分辨率和精度。它为用户提供了一种“微型钢笔”，在几何形状和工艺灵活性方面实现了图案化的灵活性，与宏观手写不同。基于所提出的墨水系统，可以直接打印其他材料，例如石墨烯或碳纳米管的悬浮液、导电聚合物、纳米/微粒混合物、DNA 和蛋白质墨水，它们可以在微米尺度的点、线和不同的形状中轻松访问和灵活性。通过将主动墨水输送系统（例如，注射泵或微流体控制器）与玻璃毛细管触笔集成。

总之，该设置提供了高度的可访问性和易用性，可实现从微米到毫米尺度的灵活按需功能化、墨水和基材材料的广泛灵活性，所有这些都由操纵杆直观地控制，使该工具成为一个很棒的“直写铅笔”，供研究人员快速实现器件的原位功能化。