Da ORNL un nuovo metodo di stampa 3D di elettrodi per circuiti CMOS

I RICERCATORI ORNL SVILUPPANO UN NUOVO METODO DI ELETTRODI DI STAMPA 3D PER DISPOSITIVI DI BIOSENSIBILITÀ

Un team di ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory e dell’Università del Tennessee ha sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D di elettrodi per circuiti CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

In particolare, gli scienziati hanno utilizzato un sistema di polimerizzazione a due fotoni Nanoscribe Photonic Professional GT per nanostampare le strutture polimeriche direttamente sui chip semiconduttori, dove possono essere carbonizzate. Il team ritiene che il metodo potrebbe avere importanti implicazioni per la produzione di elettrodi biocompatibili a base di carbonio, che sono parte integrante dei dispositivi di biosensibilità.

Nickolay Lavrik, coautore dello studio, afferma: “Abbiamo dimostrato che è possibile convertire un polimero in carbonio direttamente su un chip in un modo che può essere utile per il rilevamento elettrochimico”.


Elettrodi biocompatibili in neurotecnologia

Gli elettrodi biocompatibili sono spesso usati in modo bidirezionale in neurotecnologia, per cui possono registrare segnali dal sistema nervoso e fornire stimolazione ai tessuti viventi. I materiali a base di carbonio, in particolare, sono ottimi per l’applicazione in quanto possono essere utilizzati per rilevare glucosio, serotonina, dopamina e altre molecole biologiche. Sfortunatamente, le tecniche esistenti di microfabbricazione al carbonio non sono sempre compatibili con i chip CMOS che alimentano molti dei dispositivi medici elettronici avanzati di oggi.

Il problema principale è solitamente la temperatura, poiché gli elettrodi derivati ​​da polimeri richiedono temperature di lavorazione elevate fino a 900 ° C per la carbonizzazione (tutto tranne il contenuto di carbonio viene bruciato). Ciò può provocare il degrado dei componenti circostanti sul chip CMOS, rendendo inutilizzabile il dispositivo.

Il team ha iniziato con la nanostampa di due diverse geometrie di elettrodi direttamente su chip CMOS di silicio nudo. Le strutture a forma di cono e cilindriche erano di varie dimensioni (5 – 20 micron) e fabbricate utilizzando la resina fotopolimerica liquida di Nanoscribe.

L’evaporazione del fascio di elettroni è stata quindi utilizzata per depositare film di titanio e oro su ogni sezione dei chip CMOS, ad eccezione delle strutture polimeriche stampate. In questo caso, il titanio serviva per isolare gli elettrodi e isolarli dai componenti circostanti tramite uno strato di ossido. L’oro, d’altra parte, forniva riflettività.

I chip sono stati quindi ricotti in ambienti sia ossidativi che inerti rispettivamente a 450 ° C e 500 ° C, utilizzando un laser ad alta potenza. Con l’ossido di titanio e l’oro che agiscono come barriere protettive, gli elettrodi polimerici esposti sono stati carbonizzati in condizioni inferiori a 550 ° C, lasciando gli altri componenti sul chip completamente indenni e operativi. In quanto tale, l’innovativa sequenza di fabbricazione ha prodotto geometrie di elettrodi compatibili CMOS altamente personalizzabili, mostrando un grande potenziale per le applicazioni di rilevamento elettrochimico.

La sequenza di stampa e carbonizzazione. Immagine tramite ORNL.
La sequenza di stampa e carbonizzazione. Immagine tramite ORNL.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato ” Carbonizzazione di strutture polimeriche stampate in 3D per sensori elettrochimici compatibili con CMOS “. È coautore di Mohammad Aminul Haque, Nickolay V. Lavrik, Ava Hedayatipour, Dale Hensley, Dayrl P. Briggs e Nicole McFarlane.

L’elettronica stampata in 3D è un’area della produzione additiva che ha acquisito una seria trazione negli ultimi anni. Infatti, Nextflex , un consorzio statunitense di aziende dedite al progresso dell’elettronica ibrida flessibile (FHE), ha recentemente stipulato un accordo di condivisione dei costi con l’ Air Force Research Laboratory per far avanzare il settore. In particolare, l’accordo vedrà le forze armate sborsare fino a $ 154 milioni nei prossimi sette anni per finanziare lo sviluppo di elettronica stampata in 3D in grado di supportare le operazioni militari e la produzione della difesa.

All’inizio di quest’anno, lo specialista di sensori militari HENSOLDT e il produttore di stampanti 3D Nano Dimension hanno annunciato la stampa 3D di successo di un PCB a dieci strati a doppia faccia (circuito stampato) . La “grande svolta”, oltre ad essere una prima mondiale, è un passo verso lo sviluppo di componenti elettronici ad alte prestazioni attraverso mezzi additivi. HENSOLDT sta attualmente sviluppando il lavoro per applicazioni militari come radar e optronica.

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