Electronics：DIY电子产品之用于日常生活的环保材料廉价印刷无源设备 | MDPI 学术软文

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随着日常生活对新一代设备制造的需求不断增加，越来越多的人对“DIY”电子产品和物联网产生了兴趣。小编今天为大家推荐来自英国萨里大学的Brice Le Borgne团队在Electronics期刊发表的一篇关于DIY电子产品的文章，供大家阅读赏析。

在本文中，作者使用各种不同的印刷技术，利用现成的材料：碳烟灰 (炭黑) 作为电导体，蛋清作为电介质，制造了一个简单的RC滤波器。实验分别是在聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和纸上进行的，最终结果显示：滤波器在两种基材上表现出相同的性能，并可以在不影响设备性能的情况下回收基材。该滤波器的截止频率为170kHz，适用于高频接收应用。

材料和方法

1.炭黑墨水

本研究中使用的炭黑 (CB) 粒径为22nm。通过将 10% w/w CB 与 5% w/w 表面活性剂十二烷基硫酸钠 (SDS) 混合来混合水基油墨。在冰浴中冷却的同时，使用Cole-Palmer 750W喇叭-探针超声仪对所得溶液进行超声处理。

2.蛋清墨水

蛋清是通过简单地将蛋白与蛋黄分离来制备的。由于不需要喷墨打印，因此没有进行额外的后处理。粘度为20.1cP。

3.打印机和基材说明

打印机：

Epson Stylus C88+。它配备了可再填充的空兼容墨盒，适用于从eBay购买的Epson T0711 (自动重置芯片)。

基材：

PET：Novele^™ Pack，8.5”×11”×140µm。

相纸基材：

Infinity，Baryta Photographique，310 g/m^²，21×29.7cm×305µm。使用相纸而不是其他更常见的纸张的主要原因是它的耐湿性，可以降低它在蛋清丝网印刷过程中变得过于饱和的可能性。

4.表征方法

光学照片拍摄：配备数码相机的LEICA 2500P显微镜。

SEM：分析喷墨印刷油墨的表面形态。

电气I (V) 特性：Keysight B1500A半导体分析仪。

RC滤波器行为：数字示波器和可编程函数发生器测量获得。

电容：使用电容计测量CB和基于蛋白的电容器的电容。

接触角测量：使用配备有相机TAMRON 1:39 (IDS，75mm，Ø25.5mm) 并结合Krüss Advance软件的Krüss DSA25B装置获得。

液滴轮廓和映射：使用Dektak X轮廓仪进行。

实验结果

1. 油墨处理和图案精度

图1a和e分别显示了PET和纸基材沿印刷方向的光学图片。对于这两个实验，在打印图案附近之外观察到孤立的液滴，说明打印过程出现了喷射，不利于印刷图案的精度和分辨率。当使用桌面打印机时，没有基准相机可用于观察液滴喷射行为，很难进行分析。此外，由于这项调查使用标准的家用打印机，用户无法固定喷射参数以遵守任何最佳喷射标准。因此，设计的图案宽度必须足够大，以避免在印刷过程中引入任何电气中断 (开路)，并且两个相邻图案之间的距离必须增加到最小距离，以避免不必要的互连 (短路)。

图1：打印在PET (a-d) 和纸 (e-h) 上的的SEM图片。(a) PET基材的成像，突出了桌面打印机固有的喷涂现象。(b) 放大倍数显示基板完全被墨水覆盖 (c,d) 出现一些裂缝但不会阻止传导。(e) 纸基材的成像。(f) 放大显示基材完全被墨水覆盖。纸被油墨 (g,h) 浸透在CB油墨印刷线表面出现裂纹。

2. 无源器件和电路电阻器

图2a和b中的电流与电压 (I (V)) 曲线突出显示，使用基于CB的墨水印刷的图案在PET和纸基材上均显示出欧姆行为。如图2c和d所示，印刷电阻器的电阻从11.7kΩ (±24.7%) 到59kΩ (±17.0%) 从保持平坦到弯曲曲率半径为4mm时开始变化。应变传感器的行为在50次弯曲循环或扭曲时没有表现出显着的变化。

图2：CB油墨印刷电阻在应变下的电气行为。(a) 塑料和 (b) 纸基材上的电流与电压图。在 (c) PET和 (d) 纸基材的平坦和弯曲位置，在喷墨印刷CB线 (W=4mm) 的50个弯曲循环期间测量电阻。弯曲半径保持在4毫米。

3. RC滤波器

使用CB基油墨作为导体和蛋清基油墨作为绝缘体，将多层环保设备印刷到PET基材上。RC滤波器分三个技术阶段制造。包括印刷电阻器 (L=2cm，W=4mm) 和电容器的底部电极 (面积=5mm^²)。

然后使用模板和刮刀手动丝网印刷蛋清。模板中的开口为方形，并且比电容器的电极宽，以避免电极之间短路。然后将基板在60°C下烘烤5分钟，以干燥设备。

最后，印刷顶部电极 (面积=5mm^²)，将基板在60°C下再次烘烤5分钟。图3a和b分别以俯视图和截面图的形式显示了器件的光学观察结果。图3b中的图像突出显示了蛋清薄膜 (150µm厚) 是连续的，避免了短路。

图3：(a) 由电阻器和电容器串联组成的器件的光学图像。(b) 电容器叠层的光学显微镜图像，显示了PET基板、CB和绝缘层。(c) RC滤波器的示意图和得到的幅度Bode图。

器件的频率响应的电气评估：输入电压 (图3a和c中的VIN) 固定为2V (峰峰值)，频率从1Hz到10MHz不等。在频率扫描期间监控输出电压 (图3a和c中的VOUT)。图3c显示了获得的波特图增益响应。发现该器件的截止频率 (-3dB) 为170kHz。测得的印刷器件的电容约为0.35nF，而测得的电阻为5kΩ。根据标准电子学，预期的截止频率应在90kHz左右。这意味着在实验值和理论值之间存在差异。这可能是由于电容器中的残余泄漏和滤波器中阻抗的变化。对于DIY家庭用户应用，这种分散应该不是主要缺点，因为它很容易制造大量设备，可以根据需要调整电阻值。

小结

作者使用在普通家庭中可以找到的现成材料，制造水性环保碳墨，并在标准、廉价、普通的家用打印机上成功喷墨打印，以制造一系列电子设备，流程简单，材料成本低，适用于DIY家庭用户。本文通过将相同碳墨的喷墨印刷与蛋清在PET基材上的丝网印刷相结合，使用日常生活中使用的廉价绿色材料成功制造了一种低成本的低通滤波器。这种滤波器的实现表明，使用这些合适的材料，可以在家中生产RC滤波器以及最终更复杂的设备。使用更环保的材料可以使电子产品更具可持续性，也可能是朝着完全可回收电子产品的方向发展。

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原文出自Electronics期刊

Le Borgne, B.; Chung, B.-Y.; Tas, M.O.; King, S.G.; Harnois, M.; Sporea, R.A. Eco-Friendly Materials for Daily-Life Inexpensive Printed Passive Devices: Towards “Do-It-Yourself” Electronics. Electronics 2019, 8, 699. 

Electronics期刊介绍

主编：Flavio Canavero, Polytechnic University of Turin, Italy

Electronics于2012年创刊。期刊主题涵盖电子科学与应用领域，发表电子器件、微电子与计算机技术、光电子工程、通信工程、信号与信息处理、微波理论与技术、生物电子工程、能源电子及系统等领域的各类文章。

2020 Impact Factor	2.397
2020 CiteScore	2.7
MPT*	35
APT*	37

*MPT: Median Publication Time; *APT: Average Publication Time

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