用印刷技術低成本生產兆級感測器

【日經BP社報導】日本產業技術綜合研究所與美國加州大學聖地牙哥分校（UCSD）合作開發出了利用印刷技術在生物降解性材料基板上形成電子佈線的技術。

從藥片到植物種子，“兆級感測器（trillion sensor）”可獲得所有物體的資訊，作為可大量且低成本生產兆級感測器的技術，業內將目光投向了印刷技術。另外，如果在藥片和食品中內置感測器、在醫療領域應用感測器的話，感測器進入人體內以後，需要能溶解併排出體外，為此，採用了在生物降解性材料上使用印刷技術的方法。

向模子中澆注揮發性油墨

此次開發的印刷技術結合使用油墨和模子。在基板上形成佈線時，要向模子內注入導電性油墨。一般存在的課題是：即使向模子注入油墨，有時也因為沒有縫隙而進不去、以及不能從模子上徹底地剝離。

於是，研究人員此次在油墨和模子上想辦法。油墨是揮發性的，揮發後氣體可以從模子中跑掉。模子採用的是不通液體、只通氣體的材料。結果，油墨在彎月面力作用下進入模子，隨著油墨揮發、氣體洩漏，油墨如同被吸入模子一般。這樣就不會出現上述問題。該技術主要是UCSD教授、雅各工程學院院長Albert P.Pisano開發的 1）。

用有使用經驗的生物降解性材料進行驗證

此次，研究人員將這種印刷方法應用在了生物降解性材料的基板上（圖1）。生物降解性材料選擇的是聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚己內酯（PCL）、聚羥基丁酸酯（PHB）、聚乳酸羥基乙酸（PLGA）、羥基丁酸-羥基戊酸共聚酯（PHBV）等已在醫療領域採用的普通材料。

圖1：在生物降解性薄膜上印刷
在PHBV生物降解性薄膜（120μm厚）上印刷的奈米微粒佈線圖案的電子顯微鏡圖像。左為在1mm見方的區域印刷形成的“梳型電極”。中間是10μm的細線（實測值：線寬10μm、高7μm、空間寬度20μm）。右為進一步放大後的圖像。可以看到這是Ag奈米微粒的集合。可以看出細線是由油墨中所含的Ag奈米微粒形成的。（攝影：產綜研）

圖2：可應用於多種基板
在生物降解性極薄薄膜上印刷的佈線圖案的照片（左上角）和光學顯微鏡圖像（左下角）。左邊的兩張是PLA薄膜（22μm厚），中間的兩張是PHBV（25μm厚）。右邊也是印刷有佈線的PHBV薄膜。都非常薄。此次的印刷技術不僅可以在平坦厚實的基板上，還可以在極薄、柔軟、透明的薄膜上形成細線。（攝影：產綜研）

這些材料大多表面有微細的凹凸，在其上採用上述的印刷方法時，有可能出現漏油墨或油墨不緊貼基板等現象。產綜研“優化了將模子按在基板上的壓力等”（該研究所製造技術研究部門兆級感測器研究組組長寺崎正）。

在PLA及PHBV等材料上形成20幾μm寬的金屬佈線後，沒有發現漏油墨及剝離等現象（圖2）。另外，還發現生物降解性材料的功能也未受影響，成功得到分解。

目標單價是0.0001美元

兆級感測器是由美國提出的概念。這個概念是美國企業家Janusz Bryzek為了在實現了每年使用超過1兆個感測器的社會以後，為解決社會課題而提出的。Pisano很早就贊同這一概念，一直推進這方面的研究。

Bryzek等人的目標是實現感測器的大量生產和大幅降低感測器的成本。用於檢測食品新鮮度及檢測飲用時間時，感測器的目標單價是0.001美元。用於植物生長管理時，在每粒種子上配備的感測器目標單價為0.0001美元。現有的Si感測器很難降到如此低的價格。通過採用印刷方法，感測器的成本將比Si感測器降低兩位數。

產綜研的寺崎非常贊同兆級感測器的概念，加入了Pisano的研究室。並且，共同研究此次的製造方法長達數月。他回到產綜研後，于2015年4月成立了兆級感測器研究組，並擔任組長。（記者：三宅 常之）

《日經技術》授權轉載