TIỂU LUẬN môn học THIẾT kế VI MẠCH số CHỦ đề TRÌNH bày CÔNG NGHỆ IN MẠCH BẰNG KIM LOẠI LỎNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ CHỦ ĐỀ: TRÌNH BÀY CÔNG NGHỆ IN MẠCH BẰNG KIM LOẠI LỎNG Giảng viên hướng dẫn : Thầy Trần Hoàng Linh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Duy MSSV 1811730 Phạm Minh Tuấn MSSV 1613920 Nguyễn Trí Trường MSSV 1613844 TP.HCM, THÁNG NĂM 2021 0 MỤC LỤC GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI I II Tính chất kim loại lỏng 1) Điện trở suất 2) Tính linh hoạt vượt trội 3) Điều chỉnh độ kết dính 10 4) Khả thấm ướt 10 III Các ngun tắc cơng nghệ 12 1) Oxy hóa vi mơ 14 2) Các phương pháp xử lý tăng độ dẫn điện 15 3) Các phương thức in 18 IV Ứng dụng điển hình 22 V Phần tổng kết 29 VI Tài liệu tham khảo 31 0 I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Điện tử in công nghệ chế tạo thiết bị điện tử dựa nguyên tắc in ấn Không giống công nghệ in truyền thống, mực sử dụng máy in vật liệu điện tử với đặc tính dẫn điện, điện mơi, bán dẫn từ tính Điện tử in có liên quan chặt chẽ đến lĩnh vực đa dạng điện tử hữu cơ, điện tử nhựa, điện tử linh hoạt điện tử giấy, biết người ta khơng in mạch silicon thủy tinh, mà nhựa, giấy chất dẻo Một phương pháp để sản xuất điện tử dẻo in trực tiếp vật liệu dẫn điện lên đế mềm Điện tử linh hoạt cổ điển (có tính mềm, dẻo) dùng cơng nghệ mà thiết bị điện tử hữu / vô lắng đọng chất dẻo để tạo thành mạch Mặc dù bảng mạch cứng bảo vệ thành phần điện tử khơng bị hư hỏng, hạn chế độ dẻo tính linh hoạt thiết bị điện tử Với đặc tính hấp dẫn độ mềm, độ dẻo chi phí chế tạo thấp, thiết bị điện tử linh hoạt có triển vọng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghệ thông tin, lượng, y học quốc phịng… Thơng qua việc cung cấp cảm biến thông minh, thiết bị truyền động, hình linh hoạt, điốt phát sáng hữu (OLED), nhiều thiết bị khác Đặc điểm rõ ràng thiết bị điện tử linh hoạt nằm tính linh hoạt chúng so với vi điện tử cứng truyền thống, làm cho chúng co giãn, phù hợp, di động, đeo dễ in nhanh Vì ưu điểm đặc biệt chúng điện, in ấn, y sinh, thuộc tính cảm biến, điện tử linh hoạt ứng dụng đa dạng linh kiện điện tử, công nghệ in, thiết bị cấy ghép máy theo dõi sức khỏe Hoặc dùng với mục đích sử dụng cụ thể như: ăng-ten , camera nhãn cầu cảm biến áp suất, v.v Ngày nay, hai chiến lược phổ biến thông qua để cải thiện độ mềm thiết bị điện tử Một nhúng vật liệu dẫn điện, cứng rắn, lên chất co giãn, chẳng hạn poly (dimethylsiloxan) (PDMS) Rogers đồng nghiệp 0 giới thiệu cấu trúc gợn sóng phức tạp để giữ cho mạch điện co giãn hấp thụ lực căng có lực tác động lên phần mềm Cách lại sử dụng dây dẫn co giãn để tạo thành mạch Russo đồng nghiệp trình diễn cách kết nối mạch điện cách sử dụng mực bạc dẫn điện, viết trực tiếp văn dẫn điện để kết nối mảng đi-ốt phát quang (LED) ăngten ba chiều (3D) giấy Rõ ràng, điện tử in linh hoạt (FPE) kết hợp tính điện tử linh hoạt điện tử in Bằng cách này, người ta nhanh chóng sản xuất thiết bị điện tử linh hoạt có nhiều tính Cùng với trưởng thành công nghệ in, in dẻo trở thành chủ đề nóng nghiên cứu Một số cơng nghệ in điển hình lên, chẳng hạn chế độ in tapping, công nghệ in xịt jet, công nghệ cuộn, in phun, in máy vi tính chổi quét Trong số đó, micropen có lẽ phương pháp đơn giản nhất: bơm mực điện vào hộp mực để viết trực tiếp văn dẫn điện Điều giúp bạn vẽ sơ đồ mạch tờ giấy A4 Một vi mạch rõ rang làm giảm phức tạp sản xuất mạch cải thiện hiệu sản xuất vi mạch điện tử FPE đóng góp vào thành tựu đáng kể lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn thiết bị hiển thị linh hoạt, pin mặt trời màng mỏng, cảm biến trình điều khiển diện tích lớn, da điện tử , thiết bị điện tử đeo thiết bị giả sinh học, hệ thống tự sạc, giám sát tự cấp nguồn không dây, v.v Nếu mạch hưởng lợi từ đặc tính mềm, tính phù hợp, khả co giãn tính di động, người ta gọi thiết bị điện tử chiều Trong đó, nhiều phịng thí nghiệm phát triển thiết bị điện tử có tính linh hoạt, chẳng hạn hình cong, pin gấp, bóng bán dẫn mềm hiệu ứng trường, dây co dãn, v.v FPE sử dụng theo dõi sức khỏe, kiểm tra y tế, phát dấu hiệu quan trọng nhu cầu sống hàng ngày khác Thiết bị y sinh linh hoạt sử dụng rộng rãi lĩnh vực cấy ghép 0 , kết nối thần kinh, theo dõi sức khỏe thiết bị y tế đeo FPE sử dụng cho cảm biến sinh học, ứng dụng quan trọng da điện tử (E-skin), chẳng hạn lập đồ áp suất, cảm biến tự phục hồi, chân tay giả, cảm biến áp suất , Vân vân Có nhiều tổ chức nghiên cứu làm việc vật liệu khác ứng dụng da điện tử dẻo Trong phịng thí nghiệm Bao, họ phát minh hệ thống thụ cảm học nhân tạo lấy ý tưởng từ da thụ thể biến đổi tín hiệu kích thích áp suất thành tín hiệu điện sinh lý mà tế bào thần kinh người cảm nhận Trong phịng thí nghiệm Rogers, họ khởi xướng cấu trúc gợn sóng để nhận thiết bị điện tử biểu bì co giãn trì hình dạng chức ban đầu sau nén kéo dài Trong phịng thí nghiệm Chiolerio, nhà nghiên cứu phát minh mực tổng hợp nano bạc phủ spin in để sản xuất thiết bị chuyển đổi điện trở cho ứng dụng thần kinh cấu trúc thiết bị trạng thái lỏng linh hoạt tổng hợp nano tổng hợp keo huyền phù Bảng 1: So sánh độ dẫn điện số loại mực dẫn điện điển hình 0 Hình 1: Các thiết bị điện tử dùng công nghệ in kim loại lỏng ứng dụng người II Tính chất kim loại lỏng Nói chung, nguyên tố hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp bao gồm gali, bitmut, chì, thiếc, cadimi indium Trong số đó, GaIn24.5 sử dụng phổ biến, hỗn hợp 75,5% gali 24,5% indium theo trọng lượng Đối với thành phần, tỷ lệ khác dẫn đến tính chất khác hợp kim Đôi khi, thay đổi nhỏ tỷ lệ khối lượng gây thay đổi hành vi vật chất Nếu nạp với số nguyên tố vi lượng định, hợp kim hiển thị thuộc tính bổ sung tương ứng Do đó, người ta thay đổi tỷ lệ vật liệu hóa học hợp kim thêm số nguyên tố vi lượng để điều chỉnh điểm nóng chảy tính chất khác để đáp ứng yêu cầu cụ thể khác 0 Vật liệu kim loại lỏng nhiệt độ phòng, thường đại diện gali hợp kim nó, cung cấp tính độc sản xuất mạch linh hoạt, tính chất kết hợp kim loại tính lưu động, đặc biệt thích hợp để in mềm (Trong , hợp kim kim loại lỏng đề cập đến gali hợp kim nó.) Từ đó, người ta nhận thơng tin tính chất vật lý hợp kim kim loại lỏng sử dụng thường xuyên, chẳng hạn kết hợp, điểm nóng chảy, mật độ, điện trở suất độ dẫn nhiệt Trong đánh giá này, chủ yếu thảo luận điện trở suất, tính linh hoạt, độ bám dính khả thấm ướt kim loại lỏng thiết bị điện tử in dẻo 1) Điện trở suất Điện trở suất khả vật để dẫn dòng điện, nói chung độ dẫn điện kim loại tốt phi kim loại Nếu kim loại lỏng sử dụng để in mạch dẻo, tính giá trị điện trở dây kim loại lỏng theo công thức: 𝑅= ρ.L 𝐴 (1) Trong đó: • R điện trở; • ρ điện trở suất vật liệu, ρ giá trị cố định; • L chiều dài dây dẫn kim loại lỏng đo • A diện tích mặt cắt ngang Như thấy từ Phương trình (1), điện trở vật liệu tỷ lệ thuận với chiều dài vật liệu điện trở suất, tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang Mối quan hệ khối lượng chiều dài là: 𝑉 A= 𝐿 (2) 0 Từ đó, người ta nhận yếu tố liên quan đến thay đổi điện trở 𝑅 R0 = ρ.L 𝐴 ρ0.L0 𝐴0 = 𝜌 𝑉0 𝜌0 𝑉 𝐿 (𝐿0)2 (3) Thể tích dây dẫn kim loại lỏng không đổi V = V0; điện trở suất coi khơng đổi, ρ = ρ0 Từ đơn giản hóa cơng thức thành Độ biến thiên điện trở dây dẫn kim loại lỏng có quan hệ tuyến tính với bình phương thay đổi chiều dài dây dẫn trước sau kéo căng, xác nhận mối quan hệ sức đề kháng độ dài kéo, cung cấp hỗ trợ lý thuyết cho phát triển kim loại lỏng cảm biến linh hoạt Tuy nhiên, điện trở suất c kim loại lỏng có mối quan hệ đáng kể với nhiệt độ dẫn nhiệt Người ta nhận giá trị điện trở số dây nối song song Định luật Ôm Ở đây, n số lượng dây kết nối song song Ri giá trị điện trở riêng lẻ, tức 0 Trong ρ điện trở suất điện trở suất EGaIn 29,4 × 10−6 Ω · cm Gozen cộng chứng minh giá trị điện trở đo dự đoán cho thấy mức độ đồng ý cao với số dây thay đổi Tuy nhiên, có số tượng khơng phải Định luật Ohm mà dịng điện khơng biến thiên tuyến tính theo điện áp (Hình 3A) Trong tài liệu, đá cẩm thạch kim loại lỏng phủ với WO3 chất vàng Nó tạo thành giao diện điện bán dẫn loại n lớp phủ (WO3) khơng có lớp oxit địa bề mặt kim loại lỏng dòng điện kết hợp hạt tải điện tử lỗ trống, tạo thành lớp bán dẫn loại n Do đó, dịng điện-điện áp đo (I – V) cho thấy tượng Định luật không Ohm Họ có đường cong I-V tương tự Hình 3A, nhiên khác lý thuyết Trong Hình 3A, thiết bị điện tử bao gồm giọt gali lớp hạt nano vàng, giọt gali điện cực Hạt nano phối tử tạo thành tụ điện Đây q trình nạp xả tụ điện Dưới ngưỡng điện áp, mạch khơng bật dịng điện số khơng Khi tăng điện áp ngưỡng, mạch bật Trong đó, số liệu chứng minh mối quan hệ điện trở, điện kháng tần số Hình 2A cho thấy tần số thay đổi từ Hz đến 10 kHz điện trở Ga mức 0,225 Ω Tuy nhiên, Ga điện kháng đóng thành Ω từ Hz đến 100 Hz có mức tăng trưởng theo cấp số nhân tương tự từ 100 Hz đến 10 kHz Tính bất biến điện trở kim loại lỏng tần số khác áp dụng để đo số thay đổi tần số mạch 0 Hình 2: A) Các đường cong điện trở điện kháng từ Hz đến 10 kHz kim loại lỏng Ga B) ρ (điện trở suất) -T (nhiệt độ) Λ (độ dẫn nhiệt) kim loại lỏng C) Các giá trị điện trở dòng kim loại lỏng năm giá trị góc uốn khác D) Giá trị điện trở dịng kim loại lỏng góc uốn khác chu kỳ uốn khác 0 (C) Quá trình viết trực tiếp thành phần điện có hoa văn cách sử dụng mực kim loại lỏng Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Gao et al (2013) (D) Sơ đồ in 3D hỗn hợp mực kim loại lỏng vật liệu đóng gói Hình ảnh điều chỉnh với cho phép ( Zheng cộng sự, 2013a ) (E) Ngun mẫu phịng thí nghiệm cho máy in 3D kim loại lỏng để bàn Hình ảnh điều chỉnh với cho phép ( Zheng cộng sự, 2013a ) (F) Các thành phần điện tử chế tạo với lớp bao bì thơng qua in kim loại lỏng lai 3D Hình ảnh điều chỉnh với cho phép ( Zheng cộng sự, 2013a ) (G) Cơ học chất lỏng tổng hợp để cung cấp, truyền kết dính mực kim loại lỏng vào chất mục tiêu Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Zheng et al (2014) (H) Máy in kim loại lỏng thương mại nhanh chóng in vẽ chiếu sáng Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Zheng et al (2014) (I) Sơ đồ cho mạch tạo mẫu nhanh dựa q trình in phun ngun tử hóa giọt kim loại lỏng Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Zhang et al (2014) (J) Kim loại lỏng chứng minh in bề mặt mong muốn thơng qua q trình in phun ngun tử hóa Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Zhang et al (2014) (K) Chế tạo thiết bị điện tử linh hoạt thông qua phương pháp chuyển đổi kép để in bố trí mạch kim loại lỏng chức màng PVC sau chuyển vào chất PDMS thông qua chế chuyển pha đóng băng Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Wang et al (2015) 17 0 (L) In chuyển kim loại lỏng bước để chế tạo thiết bị điện tử dẻo nhiều loại chất Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Guo et al (2018a) (M) Nguyên lý cách làm việc thực tế in SMART (In cán chuyển kim loại bán lỏng lựa chọn chất kết dính) Hình ảnh điều chỉnh với cho phép Guo et al (2019) 3) Các phương thức in Từ mục đích thực tế, việc thực hóa q trình sản xuất tự động hóa quy mơ lớn LMPE điều cần thiết, việc phát minh thiết bị in kim loại lỏng ngồi cách hiệu có ý nghĩa to lớn Qua nỗ lực không ngừng nhiều năm, phịng thí nghiệm có nỗ lực to lớn việc phát triển phương pháp khả thi khác để in kim loại lỏng quản lý để phát minh nhóm thiết bị thực tế Một nỗ lực đáng ý vào năm 2013, bước tiến lớn LMPE thực trực tiếp tiết lộ ( Zheng cộng sự, 2013a ) dẫn đến khái niệm chế tạo thiết bị điện tử cá nhân Thông qua việc tạo mực kim loại lỏng đủ kết dính, phát triển đầu ghim in xốp đổi máy tạo mẫu số nhiều chế in khác ( Hình 5D), xác định giấy phù hợp với chất khác nhau, họ trình diễn máy LMPE để bàn trực tiếp nhiệt độ phòng ( Hình E) Ngồi ra, thơng qua việc kết hợp cao su silicone lưu hóa làm mực lập, việc in trực tiếp thiết bị điện hỗn hợp ba chiều (3-D) với cấu trúc bao bọc chứng minh ( Hình 5F), hầu hết in 3-D trước có khả chế tạo vật thể khí mà khơng có tính điện tử bên Kết là, mạch điện điển hình thành phần chức khác in thành công, bao gồm dây dẫn điện, cuộn dây dẫn 3D ăng ten linh hoạt, v.v Và cách tiếp cận sản xuất điện tử mở rộng sang tình ba chiều phức tạp Có thể nhận thấy rằng, gần tất phương thức in kể bao 18 0 gồm ứng dụng lặp lại nghiên cứu muộn nhiều ( Park cộng sự, 2019 ) Hơn nữa, thông qua việc giới thiệu chế phân phối chất lỏng hỗn hợp chế độ khai thác ( Hình G), máy in hồn tồn tự động hiệu chi phí cao để chế tạo thiết bị điện tử cá nhân phát minh (Zheng cộng sự, 2014 ) Chiến lược tích hợp vận chuyển chất lỏng bao gồm nạp mực lên xuống nạp mực, in chuyển, v.v., giải vấn đề mực kim loại lỏng có sức căng bề mặt cao khó vận hành trơn tru thông qua cách thông thường Bằng cách tiếp cận vậy, việc in, chuyển bám dính đáng tin cậy mực kim loại lỏng chất đạt Máy in kim loại lỏng gần sử dụng công nghiệp loạt mẫu điện tử trải dài từ IC, bảng mạch in (PCB), tranh điện tử thiết bị tự làm chứng minh in với độ phân giải cao thời điểm ( Hình H) Ngồi ra, tổng chi phí máy móc kỹ thuật thân thiện, mở đường cho sản xuất thiết bị điện tử cá nhân quy mô lớn (Yang cộng sự, 2015 ) Trên thực tế, nhóm máy in mạch kim loại lỏng có sẵn thị trường sản xuất, chứng kiến việc sử dụng ngày rộng rãi toàn Trung Quốc Với thành công việc phát triển in điện tử khả thi, câu hỏi có lẽ cuối tự nhiên đặt in điện tử kim loại lỏng bề mặt mong muốn khơng? Câu trả lời có! Như tiết lộ nghiên cứu sau đó, Zhang et al đề xuất chứng minh thực nghiệm cách phổ biến để in kim loại lỏng bề mặt đế mục tiêu thông qua nguyên tắc phun ngun tử hóa ( Hình I) ( Zhang cộng sự, 2014 ) Phương pháp có mục đích tổng qt linh hoạt có khả chế tạo linh kiện điện tử đối tượng khác nhau, có bề mặt phẳng nhám, làm vật liệu khác nhau, định hướng khác từ cấu hình hình học 1-D đến 3-D ( Hình 5NS) Với mặt nạ thiết kế sẵn, mực kim loại lỏng đọng trực tiếp chất để tạo thành mẫu thiết kế đặc biệt dẫn 19 0 đến việc tạo mẫu nhanh chóng cho thiết bị điện tử Không giống công nghệ viết trực tiếp trước đây, nơi sức căng bề mặt lớn độ bám dính kim loại lỏng chất thường cản trở trình in linh hoạt, kim loại lỏng khơng cịn cần phải oxy hóa trước để đảm bảo khả ứng dụng chất mục tiêu Một chế quan trọng tìm thấy vi hạt kim loại lỏng nguyên tử hóa nhanh chóng bị oxy hóa khơng khí diện tích bề mặt riêng lớn nó, làm tăng đáng kể khả kết dính lắng đọng mực chắn vào chất Phát mở cách tổng quát cho việc in ấn điện tử cách phổ biến trực tiếp chất khác nhau, cho có ý nghĩa quan trọng nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện Nỗ lực mở rộng phương pháp dẫn đến việc in lụa nơi kim loại lỏng lắng đọng thông qua áp suất cao để nhận mẫu điện tử phức tạp có độ phân giải cao (Wang Liu, 2015b ) Theo truyền thống, vật liệu phù hợp với LMPE chủ yếu bao gồm số vật liệu polyvinyl clorua (PVC), PC, PI, cơng nghệ thích ứng với nhiều loại vật liệu khác thủy tinh, vải, giấy, da, vật liệu tùy ý khác Mực kim loại lỏng chí in thành hydrogel tự phục hồi ba chiều để tạo thiết bị điện tử mềm ( Yu et al., 2017 ) Nhờ nhóm nỗ lực giải vấn đề đáp ứng nhu cầu thực tế cụ thể khác nhau, nhà nghiên cứu khám phá nhiều phương pháp khác để chuẩn bị LMPE mạnh mẽ Trong số đó, nhóm phương pháp in chuyển giao với hiệu sản xuất cao đặc biệt khám phá trình bày đầy đủ ( Jiang cộng sự, 2017 , 2020 ; Ma cộng sự, 2018 ; Wang cộng sự, 2015 ; Wu cộng sự, 2018b ; Zhang cộng sự, 2019b ) Thử nghiệm sớm theo hướng đề xuất in chuyển đổi kép kim loại lỏng ( Wang cộng sự, 2015 ) dựa chế chuyển pha đóng băng kim loại lỏng q trình chuyển giao (Hình K) Do thay đổi độ bám dính đáng kể q trình đóng băng 20 0 giới thiệu hợp kim, kim loại lỏng in sẵn màng PVC chuyển sang lớp phủ polydimethylsiloxan (PDMS), giúp khắc phục trở ngại gặp phải trước hoạt động đơn giản nhanh nhiều chế tạo mạch chức linh hoạt bọc đế đàn hồi Hơn nữa, Guo cộng ( Guo cộng sự, 2018a ) đề xuất phương pháp in chuyển kim loại lỏng bước với khả thích ứng với chất phổ biến ( Hình 5L) Tồn hệ thống bao gồm keo kết dính gốc polyme, máy in nó, mực LMs chất mềm, tương ứng Nó đ ã chứng minh chất có khả thấm ướt yếu LMs, in chuyển kim loại lỏng hoạt động tốt để tạo hình học dẫn điện phức tạp, mạch nhiều lớp mẫu dẫn diện tích lớn với hiệu truyền tuyệt vời, trình chế tạo dễ dàng độ ổn định điện đáng kể Điều gợi ý cách phổ biến cho hoạt động phổ biến rộng rãi kim loại lỏng cho phép thiết bị điện tử mềm linh hoạt Trên thực tế, phương pháp in chọn lọc có nhiều khơng gian để khám phá Mặc dù kết hợp in cuộn in chuyển giao với nhau, Guo et al ( Guo cộng sự, 2019) trình bày gọi In SMART viết tắt từ thuật ngữ “In cán chuyển kim loại bán lỏng lựa chọn độ bám dính” ( Hình M) Dựa kim loại bán lỏng khác biệt độ bám dính vật liệu mục tiêu thiết kế đặc biệt, in SMART phục vụ để sản xuất nhanh chóng nhiều loại mẫu điện tử phức tạp với độ phân giải cao kích thước lớn Q trình nhanh nhiều so với hầu hết chiến lược chế tạo điện tử có, vài giây Phương pháp có mục đích khái qt Nhiều vật liệu kết dính khác lớp phủ siêu kỵ nước thứ tương tự giới thiệu để thực LMPE truyền có chọn lọc ( Yao et al., 2019) Và chuyển giao nhiều lần đề xuất chứng minh để chế tạo thiết bị điện tử mềm 3D thơng qua cách nhanh chóng, dễ dàng chi phí thấp ( Zhao et al., 2020 ) Cần phải rằng, nay, hầu hết cơng nghệ chủ chốt nói phát triển chuyển sang thực hành, điều thúc đẩy 21 0 thuận lợi tiến ngành LMPE Rõ ràng, thời gian tới, cơng nghệ kích hoạt từ LMPE lên Tất nỗ lực xây dựng cầu nối từ phòng thí nghiệm đến ngành cơng nghiệp, giúp thúc đẩy đáng kể q trình cơng nghiệp hóa nhanh chóng LMPE Rõ ràng, đột phá nguyên lý tích lũy công nghệ giai đoạn đầu điều kiện tiên để ứng dụng thực tế công cụ tương ứng, cơng nghiệp hóa in kim loại lỏng nhiệt độ phòng Ở mức độ lớn, nỗ lực phá vỡ nút thắt rào cản kỹ thuật sản xuất vi mạch điện tử cá nhân, biến việc chế tạo mạch điện tử nhanh chóng theo ý muốn trở thành thực đặc biệt thiết bị điện tử dẻo Cho đến nay, với thử nghiệm to lớn tảng vững vậy, q trình cơng nghiệp hóa LMPE kích thích đáng kể, dẫn đến việc thành lập số công ty thương mại vào khoảng năm 2013 nhóm sản phẩm thương mại thực có mặt thị trường IV Ứng dụng điển hình Là vật liệu mực điện tử mới, tính linh hoạt bảo tồn hình dạng hợp kim kim loại lỏng cho phép đóng vai trò quan trọng việc chế tạo linh kiện mạch mềm Tính khơng độc tính tương hợp sinh học lành tính làm cho trở thành vật liệu cấy ghép thể, với cơng dụng vật liệu khung kim loại có điểm nóng chảy thấp lựa chọn, chụp mạch tương phản độ phân giải cao, vi giọt sinh học, dây thần kinh kết nối, xương người, da điện tử Công nghệ in trực tiếp mạch điện tử kim loại lỏng chuyển đổi quy trình mạch cứng thơng thường sang sản xuất máy tính để bàn linh hoạt Với cách thức sản xuất nhanh chóng thiết bị điện tử gia dụng linh hoạt với chức khác nhau, người ta hình dung sống hàng ngày có thay đổi lớn tương lai gần Hãy tưởng tượng chăn với mạch chức linh hoạt chứa cảm biến nhiệt độ áp suất theo dõi chất lượng giấc ngủ 22 0 người điều chỉnh nhiệt độ chăn theo nhiệt độ thể để sưởi ấm làm mát thông minh Trên thực tế, tất nhu cầu thực mạch dẻo kim loại lỏng Các thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng in trực tiếp nhiều chất mềm sử dụng để sản xuất nhiều tác phẩm nghệ thuật phức tạp Hình •Ứng dụng lớn lĩnh vực cơng nghệ sinh học, công nghệ mô mạch điện tử Công nghệ sinh học điều chỉnh nghiên cứu để đổi mạch điện tử thân thiện với thiên nhiên Các mạch điện tử dựa chất lỏng mạch thích hợp cho giống Rất nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển mạch từ dẫn chất lỏng từ Vẫn cần tập trung nhiều để phát triển mạch thân thiện với thiên nhiên vật liệu sử dụng mạch đóng vai trị quan trọng Nếu mạch cấy ghép túy sinh học người khả thi với việc chăm sóc lâm sàng, mở cánh cửa nghiên cứu Con người mắc bệnh khác số thói quen chế độ ăn uống không hợp lý Các mạch cấy ghép người nói hữu ích 23 0 để làm cho phận thể hoạt động để thay quan bị hư hỏng phát minh mạch nhân tạo Công nghệ mạch điện tử dựa mô người (chẳng hạn máu, da, tế bào) chìa khóa để tạo cấy ghép Cyborg giao diện Người-máy Mạch điện tử liên kết mô tế bào thần kinh người trực tiếp với thiết bị điện tử chân tay robot mắt nhân tạo Động lực học hạt nano tích điện, ion thành phần quan trọng da người Da người bao gồm số lớp nằm lớp có cấu hình số điện mơi suy hao khơng đồng Biểu bì, trung bì lớp da lớp bật da Áp dụng phần da người với EMF khác để nhận thành phần mạch điện mạch điện Ngày nay, nghiên cứu đổi mạch điện tử lỏng môi trường dẫn chất lỏng có tiềm cao lĩnh vực công nghệ sinh học Các mạch điện tử trạng thái rắn hữu ích cho mục đích kỹ thuật phần cứng Chúng khơng cịn hữu ích cho mạch thân thiện với thiên nhiên Chúng không sử dụng cho giao diện người-máy Để áp dụng nguyên tắc điện tử thông thường thể người, yêu cầu cao phải chứng minh mạch điện tử dựa chất lỏng thân thiện với người Các mạch điện tử dựa chất lỏng khả thi với thiết bị đo đạc thích hợp Các phận thể người da, sống mơ sử dụng phần khác mạch memristor Cơ thể người chất trung tính tế bào sống người bao quanh mô tạo thành từ lớp kép axit béo với protein cấy vào Marc Simon Wegmueller nhóm ơng tun bố hệ thống cấy ghép người khả thi sống lâu dài khỏe mạnh người chăm sóc y tế thích hợp Yogesh P Patil nhóm ơng cố gắng tìm hiểu ảnh hưởng hạt nano thể người chúng ln diện người Đối với nghiên cứu tương tự, tác giả nhận kim loại cấy ghép vào thể người kỹ thuật hữu ích để 24 0 hiểu hóa học hạt nano Mạch cấy phát triển cách sử dụng chất lỏng có mật độ khác chúng có loại đặc tính ion giống dịch thể người nên cấy ghép mạch vào ngườ i Mạch điện tử sinh học tổng hợp dựa plasma khả thi để nghiên cứu giao diện người-máy Mạch cấy ghép người chí túy sinh học chứng minh thiết bị đo đạc thích hợp Đối với dải tần số định, người ta cấy ghép máy thu bốn bóng bán dẫn vào thể người Một hệ thống truyền thông không dây dựa mô chứng minh thành công có khả truyền liệu nhiều kênh Hình 7: Điện sinh học co thể người thực hóa kim loại lỏng 25 0 •Ứng dụng kĩ thuật đóng gói linh hoạt vi mạch tích hợp(IC) trạng thái rắn với vi chất lỏng(microfluidics) đàn hồi Một công nghệ linh hoạt đề xuất để tích hợp thiết bị điện tử thông minh vi chất lỏng nhúng gói chất đàn hồi Các kênh vi lỏng sử dụng để cung cấp mẫu lỏng kim loại lỏng đến vi mạch tích hợp (IC) Các kim loại lỏng sử dụng để thực kết nối điện với chip IC Điều tránh thách thức đóng gói vi mạch truyền thống, chẳng hạn wire-bonding flip-chip bonding, không tương thích với cơng nghệ vi lỏng Việc tích hợp linh hoạt vi mạch trạng thái rắn với vi lỏng cho phép hệ thống linh hoạt nhỏ gọn hệ thống điện tử hay lab-on-a-chip, hệ thống có tiềm to lớn cho việc theo dõi sức khỏe đeo, chẩn đốn điểm chăm sóc cảm biến mơi trường vơ số ứng dụng khác Điện tử linh hoạt cho phép thực việc định vị trí khác thường thiết bị điện tử, cảm biến thiết bị truyền động tiếp xúc xác với bề mặt khơng phẳng, điều đạt với công nghệ IC trạng thái rắn truyền thống Sự phát triển hệ thống điện tử linh hoạt đạt tiến đáng kể vài năm qua Ví dụ, hệ thống điện tử sinh học linh hoạt đại đ ã gắn vào da người quan nội tạng cho phép phép đo liên tục thời gian thực nhiệt độ thể, huyết áp liệu điện sinh lý điện tâm đồ (ECG), sắc đồ (EMG) điện đồ (ECoG) Tuy nhiên, bất chấp tiến này, hệ thống điện tử linh hoạt chưa phù hợp với tiêu chí: hiệu suất cao, tiêu thụ điện thấp, chi phí thấp khả mở rộng cung cấp công nghệ vi mạch bán dẫn oxit kim loại (CMOS) truyền thống Ngoài ra, hệ thống điện tử linh hoạt dựa vào phân tử hữu thường có khả 26 0 mang điện tích thấp, màng bán dẫn vơ siêu mỏng địi hỏi q trình chế tạo tinh vi Mặt khác, Die CMOS điển hình có kích thước từ vài mm đến vài cm vuông, dễ dàng tiếp cận với bề mặt không phẳng thông thường thể người bề mặt máy bay với bán kính cong điển hình từ cm đến m Do đó, có sẵn cơng nghệ đóng gói để tích hợp thành phần CMOS vào chất linh hoạt tương thích sinh học, mong đợi cải tiến lớn hiệu suất hệ thống điện tử linh hoạt Một hạn chế đáng ý khác hệ thống điện tử linh hoạt chúng thường cung cấp chức điện tử quang điện tử với khơng có chức phân tích chất lỏng Hệ hạn chế hệ thống điện tử sinh học linh hoạt đo thơng số vật lý hạn chế nhiệt độ, áp suất thông số sinh học, đo dấu hiệu phân tử sinh học chất lỏng thể, điều quan trọng để chẩn đoán bệnh sớm theo dõi điều trị Một công nghệ linh hoạt cho phép tích hợp lai cảm biến / IC điện tử trạng thái rắn với vi chất lỏng có tác động biến đổi hệ thống điện tử sinh học linh hoạt cách cho phép khả cảm biến sinh học trước khơng có sẵn, chẳng hạn giám sát dấu ấn sinh học phân tử liên tục nhúng thiết bị đeo Một thách thức quan trọng việc tích hợp linh hoạt vi mạch trạng thái rắn vi chất lỏng bước post-processing đóng gói phức tạp thường yêu cầu, nhiên kỹ thuật chế tạo liên quan truyền thống thường không tương thích với chất dẻo Đặc biệt, cấu trúc wire-bonding thường sử dụng bao bì IC trạng thái rắn chất cấu trúc ba chiều (3D ), điều khiến việc tích hợp thiết bị vi chất lỏng riêng biệt lên khó khăn Các kỹ thuật đóng gói khác, chẳng hạn chip-flop bonding, dẫn đến bề mặt thiết bị phẳng, nhiên bề mặt hoạt động chôn gói khơng thể tiếp cận để tích hợp vi chất lỏng 27 0 Chính vậy, phương pháp đóng gói tích hợp lai vi mạch / vi chất lỏng linh hoạt đời Phương pháp không ứng dụng điện tử linh hoạt, cịn cho phép lĩnh vực vi hệ thống lai CMOS, lap-on-chip, quang điện tử quang lỏng cách cung cấp chức mà trước khó, khơng muốn nói khơng thể tích hợp chẳng hạn nhiệt quản lý, cuộn dây từ tính, ăng-ten điều chỉnh thành phần quang lỏng kim loại chất linh hoạt Cơng nghệ đóng gói tích hợp vi mạch / vi chất lỏng linh hoạt báo cáo cho phép tích hợp liền mạch chip cảm biến CMOS với vi chất lỏng PDMS, đạt hệ thống phịng thí nghiệm chip thực có chức CMOS thao tác mẫu vi chất lỏng chất linh hoạt Bằng cách tích hợp vi lỏng PDMS với chip cảm biến CMOS, thu số lợi bổ sung so với thiết bị cảm biến sinh học truyền thống nơi chất lỏng thiết bị cảm biến tách rời Ví dụ, cách sử dụng d òng chất lỏng chủ động giảm khoảng cách phân tử mục tiêu bề mặt cảm biến, đạt liên kết phân tử hiệu nhanh hơn, điều cải thiện độ nhạy phát thông lượng Trong trường hợp cảm biến quang CMOS, cách sử dụng kênh nơng, khơng thu hiệu thu thập photon cao giảm nền, mà loại bỏ quang học phức tạp cồng kềnh sử dụng cấu hình cảm biến quang học thơng thường Ngồi ra, cách kết hợp thiết bị truyền động / thiết bị điện tử CMOS với van PDMS, van máy bơm tích hợp đầy đủ chip trở nên khả thi mà khơng cần phụ thuộc vào nguồn áp suất bên ngồi Các hệ thống vi mơ lai IC / Microfluidic nhỏ gọn khép kín tìm thấy nhiều ứng dụng ứng dụng chẩn đoán điểm chăm sóc, giám sát mơi trường kiểm tra an tồn thực phẩm Sự tích hợp linh hoạt điện tử vi mạch trạng thái rắn, cảm biến microfluidics mang lại tiềm lớn cho việc theo dõi sức khỏe người khơng dây đeo được, nơi thu thập 28 0 liệu sức khỏe / sức khỏe theo thời gian thực liên tục với bác sĩ sở liệu trung tâm để xác kịp thời điều trị V Phần tổng kết Một loại mực hệ cho thiết bị điện tử in linh hoạt, xử lý kim loại lỏng có tính linh hoạt vượt trội đặc tính đặc biệt tính lưu động, độ dẫn điện, tính kim loại điện từ Do đó, chúng mang lại hội to lớn cho việc chế tạo thiết bị điện tử có hướng tương lai Tuy nhiên, thách thức việc chuẩn bị, xử lý sử dụng mực hiệu suất cao Ví dụ, độ bám dính thấp với nhiều chất nền, dễ bị oxy hóa sức căng bề mặt cao mực hợp kim lỏng hạn chế việc tạo mạch ổn định, xác cao Để giải vấn đề vậy, trộn kim loại lỏng với vật liệu kim loại phi kim loại Do đó, vật liệu kim loại lỏng chức lai chế tạo với đặc tính mong muốn bán dẫn, bán linh hoạt, tăng cường độ bám dính, khả chống oxy hóa, v.v Điều cho phép mực thích ứng tốt với tình thực tế có nhiều chức Ví dụ, kết tinh nano kim loại lỏng cải thiện độ xác in người ta sửa đổi bề mặt hạt nano kim loại lỏng, ví dụ, cách kết hợp với chất phát sáng thông qua liên kết kim loại để đạt in nhiều màu sắc tự phát sáng Cho đến nay, mực kim loại lỏng in nhiều loại chất mềm, chẳng hạn tấm, giấy, vải, da, lá, v.v., điều mở nhiều hội để chế tạo thành phần điện tử linh hoạt cảm biến, thiết bị truyền động, thiết bị điện tử sinh học đeo được, da điện, v.v Việc sử dụng chất linh hoạt đa dạng làm phong phú đáng kể lĩnh vực ứng dụng điện tử in dẻo kim loại lỏng người ta mở rộng thực hành liên quan từ người sang sinh vật khác động vật thực vật Ví dụ, người ta chí in mạch linh hoạt với tính thu lượng phát xạ ánh sáng để thu lượng đu đưa để cung cấp ánh sáng vào ban đêm 29 0 Nhiều loại công nghệ in kim loại lỏng khác cho phép chế tạo mạch hiệu Ở phần này, loạt vấn đề công nghệ cần giải quyết, chẳng hạn kết nối xác đáng tin cậy mạch kim loại lỏng in với mạch tích hợp truyền thống Việc in có độ xác cao quan trọng để đạt mạch tích hợp kim loại lỏng Về cách chế tạo cụ thể, in linh hoạt kết hợp với in phẳng in 3D đáng để thử Hơn nữa, việc làm mát mạch kim loại lỏng phức tạp cần giám sát cẩn thận để tránh hư hỏng “rào cản nhiệt” Trong đó, đóng gói thường điều cần thiết để tạo thiết bị người dùng cuối Ví dụ, thiết bị điện tử da kim loại lỏng có tuổi thọ dài chủ yếu phụ thuộc vào cơng nghệ đóng gói PDMS thường áp dụng cho mạch dẻo kim loại lỏng đóng gói Tuy nhiên, chất khác môi trường khác nhau, người ta cần xem xét công nghệ đóng gói đa dạng để làm cho mạch an tồn nhằm đạt chức mong muốn Đối với ứng dụng sinh vật, đặc biệt cần phải xem xét tính khơng độc vật liệu đóng gói Đơi khi, chuyển động thay đổi hình dạng kim loại lỏng điện trường tạo nhiều hoạt động tự cấu hình mạch Những mạch điện độc đáo, tự động thay đổi tự hủy hoại đáng để theo đuổi Tóm lại, thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng vượt qua hạn chế điện tử dẻo truyền thống Quá trình sản xuất mạch đơn giản, nhanh chóng, ổn định tương đối tương thích với cơng nghệ mạch tích hợp có Thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng cho phép tạo sản phẩm chất lượng cao thiết bị điện tử sinh học đeo được, da điện tử, cấy ghép y tế, hình linh hoạt pin mặt trời đáp ứng nhu cầu tới Công nghệ in linh hoạt kim loại lỏng kết hợp mạch mềm kim loại lỏng linh kiện chip cứng, đó, khơng phải điện tử hoàn toàn linh hoạt theo nghĩa lớn Đồng thời, loại mạch bán mềm hạn chế phần ứng dụng Ý nghĩa thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng nằm phổ biến công nghệ in kim loại lỏng: người 30 0 tùy ý in thiết bị chức linh hoạt cá nhân hóa họ bề mặt nào, điều mở rộng đáng kể kỹ thuật điện tử truyền thống Bằng cách khắc phục vấn đề để đạt tỷ lệ sản phẩm tốt, tự sửa chữa mạch bị hỏng, tuổi thọ dài, ô nhiễm môi trường thấp tái chế chất thải, điện tử in dẻo kim loại lỏng đóng góp vào tương lai tươi sáng VI Tài liệu tham khảo • Taylor V Neumann, Michael D Dickey(2020) Liquid Metal Direct Write and 3D Printing: A Review • Takashi Kozaki, Satoshi Saito, Yota Otsuki, Ryosuke Matsuda, Yutaka Isoda, Takuma Endo, Fumika Nakamura, Takuto Araki, Taichi Furukawa, Shoji Maruo, Masayoshi Watanabe, Kazuhide Ueno, and Hiroki Ota(2020) Liquid-State Optoelectronics Using Liquid Metal • Xuelin Wang, Jing Liu (2016) Recent Advancements in Liquid Metal Flexible Printed Electronics: Properties, Technologies, and Applications • Killol V Pandya (2018) A Pure Biological Transistor Amplifier Circuit Based on Conductive Liquid A Visionary Concept 31 0 ... thiết bị điện tử sinh học đeo được, da điện tử, cấy ghép y tế, hình linh hoạt pin mặt trời đáp ứng nhu cầu tới Công nghệ in linh hoạt kim loại lỏng kết hợp mạch mềm kim loại lỏng linh kiện chip cứng,... kim loại lỏng khác cho phép chế tạo mạch hiệu Ở phần này, loạt vấn đề công nghệ cần giải quyết, chẳng hạn kết nối xác đáng tin cậy mạch kim loại lỏng in với mạch tích hợp truyền thống Vi? ??c in. .. dẻo trở thành chủ đề nóng nghiên cứu Một số cơng nghệ in điển hình lên, chẳng hạn chế độ in tapping, công nghệ in xịt jet, công nghệ cuộn, in phun, in máy vi tính chổi qt Trong số đó, micropen