电子3D打印技术制备有机薄膜晶体管及其应用研究进展

Research Progresses in Preparation of Organic Thin Film Transistors by Electronic 3D Printing Technology and Its Applications

摘要

电子3D打印技术凭借其高分辨率制造特性、异质材料集成能力和定制化设计优势，为有机薄膜晶体管的先进制造范式提供了革命性解决方案。从工艺原理维度系统解析了喷墨打印、气溶胶喷射打印与直写成形三大主流技术的特征，定量对比了其成形精度极限、多相材料兼容性及工艺鲁棒性差异，进而探讨了制约各技术发展的关键挑战，并基于柔性显示、生物医学传感和可穿戴电子等创新应用场景，系统评述了3D打印有机薄膜晶体管器件在规模化生产中的结构-性能关系研究进展，指出制备材料的创新、打印工艺的调控优化及打印设备的可靠性评价是未来的重点研究方向。

Abstract

Electronic 3D printing technology， leveraging its high-resolution manufacturing features， heterogeneous material integration capability， and customized design advantages， provided a revolutionary solution for advanced fabrication paradigms of organic thin-film transistors. The characteristics of three mainstream technologies—inkjet printing， aerosol jet printing， and direct ink writing were analyzed from the perspective of processing principles. Quantitative comparisons were conducted on their forming accuracy limits， multiphase material compatibility， and process robustness variations， followed by an exploration of the key challenges constraining their development. Furthermore， based on innovative application scenarios such as flexible displays， biomedical sensing， and wearable electronics， the research progresses in structure-performance relationships of 3D-printed OTFT devices for large-scale production were comprehensively reviewed. The paper highlights that future research priorities will focus on innovations in material formulation， optimization of printing processes， and reliability assessment of printing equipment， which are critical for advancing next-generation printed electronics.

Graphical abstract

关键词

电子3D打印 / 有机薄膜晶体管 / 增材制造 / 柔性电子学

Key words

electronic 3D printing / organic thin film transistor / additive manufacturing / flexible electronics

0 引言

在万物互联与智能感知深度融合的泛在电子时代，传统硅基电子器件正面临机械刚性束缚与复杂曲面共形集成等物理极限的严峻挑战。有机薄膜晶体管（organic thin-film transistor， OTFT）凭借其本征柔性、低温溶液加工特性和可调谐光电性能，为构建新一代可拉伸显示、表皮生物传感及智能包装系统提供了颠覆性材料平台^［1］。然而，传统光刻工艺与旋涂成膜技术难以满足OTFT在跨尺度三维异质集成、生物相容性界面构筑及个性化器件定制等方面的制造需求，这一矛盾在可穿戴动态监测与植入式神经接口等尖端领域尤为凸显。电子3D打印技术作为一种增材制造技术^［2］，通过在平面或曲面上精确沉积特定材料，不仅支持更灵活的电子器件设计和制造，提高OTFT的制备效率，而且在满足电子器件柔性化、制备效率和环境友好等方面发挥了重要作用^［3］。通过电子3D打印技术，研究人员和制造商能够精确控制器件的三维结构，包括复杂的电极和通道布局，实现定制化的电路设计和功能区域。此外，这项技术的快速原型制造能力还可以显著缩短研发周期和产品上市时间，同时减少材料浪费，提高资源利用效率，符合可持续发展的趋势，是近些年来制备OTFT的关键技术之一^［4］。

目前，运用电子3D打印技术制备OTFT的过程中，由于打印材料的稳定性、打印精度以及工艺一体性等方面存在局限性的原因，打印过程与元器件的综合性能还有待进一步提高^［5］。本文首先解析OTFT的工作原理，阐明其材料组成的内在关联与器件结构；然后针对喷墨打印、直写成形和气溶胶喷射打印三种主流电子3D打印技术，从打印精度、材料适用性及工艺稳定性等多个维度进行对比分析，揭示其相较于传统制造方法的突破性优势，并系统总结当前面临的关键挑战，包括打印层间界面缺陷控制、大面积制造一致性提升等问题；最后，进一步结合柔性显示面板、可穿戴健康监测、生物化学传感器、图像传感器及压力传感器等典型应用案例，探讨了3D打印OTFT在实现复杂结构集成中的技术进展。

1 OTFT概述

薄膜晶体管（TFT）是一种半导体器件，相比传统的硅基晶体管，薄膜晶体管可以使用各种半导体材料制备^［6］，如OTFT即为TFT的一个分类。OTFT由有机半导体材料制备，内部包括有机半导体层、电介质层和电极等关键部件，其优势在于可大面积制造、成本低、柔性可弯曲等，因此在柔性电子学领域中已有广泛应用，且在显示技术、传感器技术、能源存储与转换技术等研究领域中展现出良好的发展前景^［7］。

1.1 OTFT的发展历程

OTFT的整体发展历程如图1所示。在20世纪80年代，早期的OTFT研究集中在探索有机半导体材料的电学特性和结构性质，包括有机分子的合成、表征，以及在实验室条件下制备小尺寸、低性能的器件^［8］。1992年，日本理化学研究所的团队首次成功报道了基于聚噻吩（Polythiophene）材料的OTFT，这标志着该技术进入了新的发展阶段。21世纪初期，因各行各业对有机半导体材料性能要求的提高，OTFT的研究转向开发具备更高电子迁移率的材料，如聚苯乙烯、聚3-烷基噻吩等^［9］。研究人员还致力于提高OTFT的稳定性和制造工艺，涵盖优化沉积技术、电极材料的选择以及界面工程。自2010年以来，OTFT技术在可穿戴设备、柔性显示器和传感器网络等领域的发展迈出了重要的步伐，多家公司已经推出了产品原型，并在制造工艺方面取得了重要突破。

1.2 以材料划分的OTFT类型

OTFT根据制备的材料不同，可分为小分子OTFT、聚合物OTFT、混合型OTFT三种类型^［10］，各类型OTFT的主要优缺点如图2所示。

小分子OTFT使用小分子有机半导体材料制备，常见的制备方法包括真空蒸发法和溶液法，其优势在于高电荷载流子迁移率（通常超过0.1 cm²/（V · s）），拥有良好的电子性能，适用于高分辨率显示器和传感器等高性能应用场合^［11］。但其柔性和可加工性相对较差，且制备过程通常需要昂贵的真空设备和精密的工艺控制，导致此类晶体管制备成本较高^［12］。

聚合物OTFT使用聚合物半导体材料制备，常见的制备方法有溶液加工、真空沉积和热转印等技术，不同于小分子OTFT，聚合物OTFT具备良好的柔性和可加工性能，且其光学透明性较好，制备工艺简单，可实现大面积、低成本的制造^［13］。但聚合物半导体的电荷载流子迁移率通常较小（通常在0.1 cm²/（V · s）以下），这使得聚合物OTFT在高速开关和高分辨率显示方面的性能不及小分子OTFT^［14］。

为克服单一材料的局限性，研究人员普遍采用将小分子半导体与聚合物材料混合的策略来制备混合型OTFT。这种OTFT充分利用了小分子半导体的高迁移率和聚合物材料优异的加工性能^［15］，通过合理的混合比例优化薄膜的柔韧性和成膜质量，从而实现优于单一组分的半导体材料性能。因此在柔性电子器件、透明电子设备以及大面积印刷电子等研究领域，混合型OTFT展现出广阔的应用前景^［16］。KIM等^［17］将具有低玻璃化转变温度的小分子m-二（三甲基硅烷基）苯（TSB3）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物电介质共混，橡胶状TSB3分子在沉积过程中能够促进并五苯分子的横向扩散，增强晶体之间的连通性，有效提高OTFT的场效应迁移率和栅极偏置稳定性。YIN等^［18］将小分子有机半导体材料和聚合物黏合剂在合适沸点的烷基溶液中的混合溶液沉积在晶体管结构顶部，研发了一种具有超低温溶液工艺的陡峭亚阈值摆幅OTFT，因其超低的加工温度，以及高电荷载流子迁移率与较好的加工性能，此类OTFT可以在不影响显示器性能的情况下直接制备到OLED显示器上进行触摸感应，如图3所示。

1.3 以结构划分的OTFT类型

OTFT是一种复杂的三端器件，由基底、栅极、绝缘层、有机半导体层、源极和漏极组成^［19］，其基底通常采用透明材料，如玻璃或塑料，旨在提供结构支撑和稳定性^［20］。位于基底上方的栅极扮演着电子流的控制者角色，通常由金属或导电聚合物制成。栅极下方的绝缘层，通常由二氧化硅等绝缘材料制成，有效隔离栅极与有机半导体层，以防止电荷泄漏。而有机半导体层，则位于绝缘层上方，通常由有机半导体材料如聚合物或小分子有机材料组成，用以控制电荷的输运过程。在有机半导体层两侧分布的源极和漏极则负责注入和收集电荷载流子^［21］。根据各个功能层的堆叠顺序不同，OTFT的结构可分为底栅和顶栅结构，以及顶接触和底接触的不同变体^［22］。

根据栅极与有机半导体层的接触方式可将OTFT分为多种结构，如图4所示^［23］，包括底栅底接触型（BGBC）、底栅顶接触型（BGTC）、顶栅底接触型（TGBC）和顶栅顶接触型（TGTC）。这些结构在制备工艺和性能方面各有特点：BGBC结构虽然易于控制，但容易受到基底表面粗糙度的影响；相比之下，BGTC结构能有效减少基底表面带来的负面影响，但需要更为精细的工艺控制来实现^［24］；TGBC结构通过将栅极放置于半导体层底部，有效减小了栅极对半导体性能的影响，但制备过程相对复杂；而TGTC结构则在最大程度上减少了栅极对半导体性能的干扰，但制备工艺要求更高。因此，在选择适当的结构时，需要综合考虑制备工艺的可操作性、所需的器件性能以及设备的具体要求^［25］。

2 电子3D打印技术概述

随着近年来科技的发展与进步，以及在OTFT实际生产中对降低制备工艺复杂性和减少成本的需求增多，高精度、低成本的电子3D打印技术逐渐应用于OTFT的制备当中^［26］，该技术包括多种方法，现阶段主要包括喷墨打印技术、微笔直写技术、气溶胶喷射技术等，每种技术都基于特定的打印材料和打印机制，以满足不同精度器件的制造需求^［27］。

2.1 喷墨打印技术

喷墨打印技术（inkjet printing， IJ）是一种逐滴墨水沉积形成3D结构的增材制造技术^［28］，于1984年由惠普公司首次推出，用于家庭与办公需求。随着科技的发展与进步，喷墨打印逐渐应用于打印导电与介电材料，如银浆等导电墨水和陶瓷浆料等介电材质，通过打印设备的喷嘴喷出，每滴墨水能够规律地排列形成单层特征，而多层材料堆叠在基板上进一步形成三维特征^［29］。现阶段的墨滴喷射机制有很多，但最为广泛使用的喷墨方法可分为连续式喷墨打印（CIJ）和按需式喷墨打印（DoD）两种，墨滴以何种状态被喷射在基材上是二者的主要区别^［30］。如图5所示^［31］，在CIJ中，系统会持续地将墨水从喷头中喷出，通过电荷控制系统选择墨滴并将其精准地打印在基材上，再将未被选择的墨滴回收供打印系统循环使用；而在DoD中，喷头内部的压力控制系统会按照打印需求调整喷头的开关状态，因此每一滴墨水都是按需产出的。CHOW等^［32］提出了一种通过调整器件尺寸和平衡p型与n型晶体管的阈值电压来确保喷墨打印OTFT逻辑逆变器有稳定电压传输特性的设计方法。林奕龙等^［33］通过在Ag电极和有源层间插入喷墨打印的氧化铟锡（ITO）电极，不仅阻止了Ag纳米颗粒向有源层的扩散，还因良好的接触特性大幅降低了接触电阻，从而使基于Ag/ITO双层电极的TFT性能相较于单层Ag电极有了显著提高。赵泽贤等^［34］通过研究不同溶剂成分和溶质浓度对喷墨打印铟锌锡氧化物半导体薄膜的影响，发现使用含乙二醇的二元溶剂可有效防止咖啡环效应，形成均匀且具有良好接触特性的薄膜。这使得基于该工艺的器件获得了优秀的电学性能，包括高饱和迁移率、低阈值电压、高开关比以及优良的亚阈值摆幅。在实际喷墨机制的选择中，研究人员通常会综合考虑精度标准、打印速度等因素以保证打印效果最佳并实现经济效益。但在喷墨打印过程中，为了确保打印头不被阻塞，选用的材料必须具备特定的物理特性。此外，尽管这种技术可以达到较高的分辨率，但对一些需要极高精度的应用而言，它所提供的细节水平可能还不够，这也是当前的喷墨打印技术需要解决的关键问题之一。

2.2 微笔直写技术

微笔直写技术（direct ink writing， DIW）是最常见的基于挤压的3D打印方法，如图6所示，该技术利用气压传动，在微型喷嘴的精确控制下连续将打印浆料挤出并涂抹在打印基板上，打印线条的宽度与形态取决于打印喷头内径尺寸、直写速度、气压及喷头与基板距离等众多因素^［35］。与其他打印工艺不同的是，在DIW工艺中，因油墨会直接从微型喷嘴中挤出而不熔化或固化，它在从喷嘴挤出时必须具有较低的黏度以保持其流动性^［36］。DIW使用的液态墨水黏度范围较广，能够保证线路的边缘整齐，可有效降低打印成本和避免材料的浪费，是印刷电子和柔性电子器件制造中的关键技术之一^［37］。张达等^［38］通过原子力显微镜（AFM）探针直写技术在SiO₂/n^＋-Si基底上制备了短沟道的并五苯有机晶体管（OFET），其中金沟道长度约为1 μm。经过工艺优化，该器件展示了0.038 cm²/（V · s）的场效应迁移率，开关比达到103，且最大输出电流为200 μA。张奇等^［39］使用微笔直写微增材制造技术，以氧化铟镓锌（IGZO）为有源层材料制备了IGZO-TFT器件。在最优工艺条件下，该器件的迁移率为1.43 cm²/（V · s），开关电流比超过108，这一迁移率与喷墨打印制备的IGZO-TFT器件相近，但低于旋涂法制备的器件迁移率（4.59 cm²/（V · s））。以上均表明微笔直写技术是一种可行的薄膜晶体管制备方法，然而在运用该技术时，因其加工速度较低，并不利于大规模生产的成本效益，尤其是在创建精细图案时会更加耗时。

2.3 气溶胶喷射技术

气溶胶喷射技术（aerosol jet printing， AJP）是一种在打印设备的控制下将打印油墨先雾化成微小的气溶胶粒子，然后通过喷头喷射、沉积和固化，实现电子增材制造的方法^［40］。该过程通常包括五个步骤：气溶胶液滴产生、气溶胶液滴传输、气溶胶束准直约束、气动聚焦和液滴喷射，其原理如图7所示^［41］。

相较于其他传统的增材制造技术，AJP可实现平面和曲面打印，进行多材料、高灵活性、高精度的图案化打印，不仅在简单电子电路的应用上实现显著的技术进步，并且在传感器以及适用于主动和无源无线技术及其他微电子设备的组件制造领域也有着显著的优势和创新^［42］。许威威等^［43］选用聚［（9，9-二辛基芴-2，7-二基）-共-（1，4-苯并2，1-3噻二唑）］（PFO-BT）分离的半导体性碳纳米管作为活性材料，通过气溶胶喷墨打印工艺在刚性衬底上构建了底栅配置的碳纳米管薄膜晶体管。器件封装采用了钛酸钡复合物，结果显示其具备出色的双极传输特性、显著的开关比率、无回滞现象，并且阈值电压接近于零。MISHRA等^［44］通过优化交联参数和气溶胶喷射印刷技术，改进了交联聚乙烯醇酚（crPVP）的介电性能，并用此材料制造了完全印刷的碳纳米管（CNT）薄膜晶体管。该研究使用2∶1（质量比）的PVP和交联剂PMF作为介电层，实现了降低栅极阈值电压至-4.8 V、减少磁滞并获得开关比率超过104的CNT设备。然而，集成AJP技术的设备成本较高且操作流程复杂，并不适合进行高强度的OTFT制备。

尽管上述三种电子3D打印技术均可实现OTFT的无掩模增材制造，但它们在流体动力学机制、成形精度及适用场景上存在显著差异。为了更直观地为不同应用需求提供工艺选择依据，如表1所示^［45］，本文对喷墨打印、微笔直写与气溶胶喷射打印三种主流技术在制备OTFT时的关键工艺参数及优劣势进行了定量化综合对比。

3 OTFT在功能器件中的应用进展

3.1 柔性显示器

随着柔性电子技术的演进，可卷曲、可折叠的显示设备对底层驱动电路的机械柔韧性及大面积制备的均一性提出了严苛要求。传统的硅基掩模光刻工艺不仅成本高昂、工序繁杂，且难以有效兼容柔性高分子基底。相比之下，电子3D打印技术凭借其无掩模、高材料利用率以及低温加工等增材制造优势，为柔性显示面板的驱动核心OTFT阵列提供了革命性的解决方案。

在柔性显示背板的制备中，高分辨率的像素驱动离不开半导体层的精确沉积。喷墨打印技术能够按需将功能墨水直接滴落在目标区域，大幅降低材料损耗并简化图案化流程。FANG等^［46］运用喷墨打印技术精确图案化了液晶有机半导体薄膜，如图8所示，通过深入调控墨水滴落后的流体动力学与结晶动力学行为，有效克服了传统溶液法中常见的分子排列无序问题，显著提高了打印OTFT的电荷传输性能，为高分辨力柔性显示器的有源层制备提供了新思路。

除了单一有源层的高质量图案化，柔性显示器的最终形态还需要完整的逻辑控制单元。电子3D打印技术的潜力不仅局限于制备单一的OTFT器件，更在于实现复杂驱动电路的一体化成型。COCO等^［47］在全打印集成逻辑电路方面取得了突破性进展，该团队利用打印工艺成功制备了基于壳聚糖（Chitosan）栅极介质的OTFT，并将其互连为图9所示的功能完整的印制逻辑电路。这一前沿成果有力证明了通过打印手段实现低压、环保且具备机械柔韧性的集成电路是完全可行的，为未来全面摒弃光刻工艺、实现全打印柔性显示面板奠定了坚实的技术基础。

3.2 柔性穿戴设备

随着物联网与数字医疗的深度融合，可穿戴电子设备正向着轻薄化、共形贴附以及高生物相容性的方向发展。人体皮肤和织物的复杂曲面及形变特性，要求穿戴设备中的核心传感与驱动元件必须具备极强的机械柔韧性和极低的工作电压以确保人体安全。传统的硅基硬质芯片或需高温真空处理的薄膜器件难以满足上述需求。而电子3D打印技术能够在常温或低温下，将有机半导体、柔性介电层直接图案化沉积在聚合物、织物甚至人体皮肤上，为可穿戴OTFT及有机晶体管传感器的制造开辟了新路径。

在可穿戴健康监测中，人体生理信号通常极其微弱，需要靠近传感器端的局部放大器进行信号预处理。采用喷墨打印技术，研究人员能够以全打印的方式制备低功耗、高增益的OTFT放大器。JIANG等^［48］成功实现了全喷墨打印（all-inkjet-printed）的OTFT及其放大器电路，如图10所示，该工艺利用喷墨打印精确控制各功能层的厚度与形貌，不仅在柔性聚合物基底上实现了优异的器件均匀性，还在极低的功耗下获得了满足可穿戴设备需求的信号电压增益，有效解决了传统硅基放大器刚性且功耗大的痛点。

为了获取更精确的体表生理数据，将打印的晶体管器件直接作为“电子皮肤”或表皮传感器进行实时分析是当前的前沿热点。如图11所示，MAKHINIA等^［49］将全打印的超薄有机晶体管阵列直接集成在临时纹身纸等表皮贴片上，可使其完美共形贴合并适应人体皮肤的动态拉伸。这种全打印的生物电子接口不仅具有出色的稳定性，还能在经历多次弯曲和拉伸后保持传感性能不衰减，极大地推动了无创健康监测设备向完全可穿戴、低成本、一次性使用的方向迈进。

3.3 生物化学传感器

在生物医学监测与即时诊断（point-of-care， POC）领域，传统的生化传感器常面临灵敏度不足、制备成本高以及与生物流体界面相容性差等瓶颈。具备离子-电子双重传导特性的柔性有机晶体管能够将微弱的生物化学信号原位放大，成为理想的传感平台。电子3D打印技术的引入不仅避免了传统光刻工艺中化学溶剂对脆弱生物活性物质的破坏，还能实现传感器阵列的低成本、大批量定制，在代谢物监测与病毒筛查中展现出巨大的应用潜力。

针对汗液、唾液或血液中代谢物的检测，喷墨打印技术能够实现导电电极、有机半导体层以及含酶介电层的多层高精度集成。如DEMURU等^［50］开发了图12所示的全喷墨打印石墨烯栅极柔性有机晶体管，专门用于葡萄糖的酶法生物传感。该研究利用喷墨打印技术精确控制了各功能层在聚合物箔片上的沉积，不仅获得了优异的器件线性度和重复性，它对葡萄糖的检测极限更是低至10{}^{-\mathrm{7}} mol/L。这种全打印的一体化成形工艺，为低成本、高灵敏度的柔性代谢物传感器的大规模制造提供了可靠范式。

对于结构复杂或需在非平整基底上成形的生物传感器，气溶胶喷射打印凭借其极宽的墨水黏度适用范围和高分辨率的非接触式保形打印能力，成为制备超高灵敏度传感器的利器。在应对突发性公共卫生事件方面，FAN等^［51］基于气溶胶喷射打印技术，创新性地制备了抗体功能化的打印有机晶体管，成功实现了对新冠病毒（SARS-CoV-2）抗原的即时检测，如图13所示。该打印传感器在未经处理的患者鼻咽拭子样本中展现出极高的特异性，检测范围可覆盖极低浓度水平。这些前沿成果充分证明了AJP技术在实现高精度、无掩模的即时诊断（POC）设备制造中具有不可替代的工艺优势。

3.4 图像传感器

在柔性光学成像、生物光学监测（光电容积脉搏波描记法）以及宽光谱探测领域，传统无机宽禁带半导体探测器曾一度占据核心地位。例如，通过磁控溅射工艺制备的氧化镓薄膜在紫外波段表现出优异的探测性能^［52］，且通过锡掺杂可进一步显著提高器件的光响应度与光暗电流比^［53］；同时，利用化学气相沉积法在常压无催化条件下成功生长的二维硒化铟纳米片也因其优异的电学性能和适中的直接带隙，在光电探测器领域表现出巨大潜力^［54］。然而，这些高性能无机材料的制造过程往往高度依赖昂贵的真空设备或极端的高温生长环境，且通常需在石英、硅片等刚性衬底上成形。这种工艺上的“重资产”与“高温限制”特征严重制约了它们在下一代大面积、低成本且可共形贴附的柔性图像采集系统中的应用。相比之下，电子3D打印技术通过按需滴落的非接触式制造方式能够将有机小分子半导体、聚合物以及光敏杂化墨水直接沉积在柔性基底上，为低成本、大面积柔性光电晶体管及图像传感阵列的制备提供极具竞争力的替代方案。

有机半导体凭借其吸光系数高、光谱响应可调的优势，在光电探测领域极具潜力。WEI等^［55］在全打印有机光电器件方面取得了重要突破，成功开发了图14所示的基于TIPS-并五苯的全喷墨打印柔性光电探测器。该研究通过系统优化喷墨打印工艺中的墨水铺展与结晶形貌，在柔性基底上实现了纯有机有源层的高质量沉积。在极低的偏置电压下，该全打印器件展现出了极高的光暗电流比以及优异的探测率。更为重要的是，该打印器件被成功应用于人体光电容积脉搏波的实时监测，证明了全喷墨打印有机光电器件在非侵入式可穿戴医疗监测中的巨大实用价值。

为了进一步提高图像传感器的空间分辨率与光电响应性能，将新型低维半导体配制成功能墨水并应用于柔性打印，正成为该领域的前沿趋势。针对大面积图像传感的实际需求，喷墨打印展现出了卓越的无掩膜阵列化集成能力。KONG等^［56］结合电化学剥离与喷墨打印技术，成功在柔性基底上沉积了高质量的二硫化钼纳米片薄膜，并构建了大规模的柔性光电探测器阵列。该全打印阵列不仅展现出极高的光响应度和优异的探测率，其像素密度更是高达85PPI（pixels per inch）。凭借如此高的空间分辨率，这种打印阵列能够对面光源进行精准的空间光电流映射，如图15所示，成功实现了对复杂图案的清晰、高对比度成像。这为未来完全摆脱传统掩模光刻工艺，通过全增材制造生产大面积、低成本且高柔性的人工视觉系统和数字成像背板奠定了核心工艺基础。

3.5 压力传感器

在柔性触觉感知网络中，基于有源矩阵的OTFT能够有效克服传统无源传感器阵列中普遍存在的信号串扰效应，实现高精度的局部压力信号读取。电子3D打印技术在此领域的最大优势在于，它能够突破传统旋涂或光刻工艺在三维厚度成形上的局限，按需定制具有特定孔隙或微凸起结构的介电层与敏感层，从而极大提高器件对微小压力的机械形变响应与电容变化灵敏度。

喷墨打印技术在构建大面积、高均一性的有源压力传感阵列方面具有显著优势。BAI等^［57］通过采用分层可填充的内部结构（GIA）设计，结合喷墨打印技术制备了传感器所需的OTFT阵列，开发了图16所示的宽量程高灵敏度离子型电容压力传感器。该研究引入了微凸起和具备容纳压缩微观构造能力的底部切口与槽道，显著增强了介电层的可压缩性能。这种结合了离子膜与GIA架构的打印器件不仅实现了超过3 Pa^-1的最高灵敏度，还支持高达360 kPa的宽广压力响应区间，并且在高达300 kPa的压力下经过5000次加载与卸载循环后仍表现出卓越的电学稳定性。

对于需要极高拉伸性和微孔隙率的厚膜介电层，微笔直写技术展现出了无可替代的工艺匹配度。SONG等^［58］基于微笔直写技术挤出具有特定流变特性的弹性体浆料，创新性地制备了一款采用多孔弹性体作为栅极介质的可拉伸OTFT压力传感器，如图17所示。通过DIW技术精准引入具有特定微结构的多孔弹性体材料，该传感器不仅对微小压力展现出高度敏感的源漏电流响应，还能在极小的弯曲半径下保持优异的电气性能。这种结合了3D打印微结构形变与有机晶体管固有放大特性的制造策略，为新一代高灵敏度机器人触觉感知系统提供了可靠的集成方案。

4 总结及展望

本文系统梳理了喷墨打印、微笔直写与气溶胶喷射打印在OTFT（OTFT）制备中的工艺特性，并论证了三种工艺在柔性显示驱动、表皮健康监测，以及生物化学传感等前沿领域的不可替代性。然而要实现3D打印OTFT从实验室原型向工业化量产的实质性跨越，当前研究仍存在不可忽视的技术瓶颈。为了突破现有局限，未来的研究重心亟需向以下三个方向推进。

1）目前多数研究仍停留在对打印气压、速度等宏观设备参数的经验性调试上，缺乏对墨水液滴微观相变过程的深度干预。在打印有机半导体大分子时，溶剂挥发极易引发Marangoni对流，从而导致严重的“咖啡环效应”与薄膜结晶不均。未来的研究必须深入流变学与热力学底层，通过引入二元或三元混合溶剂工程，精准调控液滴边缘的接触线钉扎效应，建立包含流体动力学、溶剂蒸发动力学与高分子结晶热力学的多物理场耦合模型，从根本上实现高质量、大面积均匀半导体薄膜图案化。

2）当前被广泛报道的“3D打印OTFT”大多仅实现了各功能层在二维平面的逐层叠加，在此过程中，介电层与半导体层之间的“溶剂正交性”极差，后续打印的墨水往往会溶解或侵蚀已成形的底层结构。未来的破局方向在于开发专用的光固化或低温原位交联型聚合物绝缘材料。这不仅能彻底解决层间互溶问题，还能使3D打印技术真正发挥其空间构建优势，实现层间垂直通孔的直接打印与立体电路的三维互连，从而大幅提高柔性集成电路的晶体管密度。

3）现阶段的文献往往片面追求报道局部器件的最高载流子迁移率，而对器件在持续偏压下的稳定性避而不谈。事实上，打印工艺固有的微孔隙与表面粗糙度会在半导体界面处引入大量深浅能级陷阱电荷。这些微观物理缺陷是导致OTFT在实际应用中出现严重阈值电压漂移和偏压应力不稳定性的根本原因。因此，未来的研究亟需引入原位表征技术，建立“打印工艺参数—界面微观形貌—缺陷态密度—宏观电学衰减”的全链条物理映射模型。只有在机理层面解决可靠性衰减问题，全打印柔性OTFT阵列才能真正满足严苛的商业化应用标准。

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基金资助

国家重点研发计划(2026YFE0155300)

陕西省重点研发计划(2024QY2-GJHX-04)

榆林市科技计划(2025-CXY-031)

咸阳市重点研发计划(L2025-ZDYF-RGZN-003)

西安邮电大学研究生创新基金(CXJJYL2025038)