CN104924610B - 打印的有源器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供打印的有源器件。一种用于制造具有集成有源电子组件的制品的方法包括以下步骤：使用增材制造处理，用于：a)形成不导电的基板；b)形成具有孔的不导电的穿孔层；c)在所述孔中形成间隔开的导电的阳极元件和阴极元件；d)对所述元件中的每一个沉积适于在所述元件之间施加电位差的导电连接件；e)在所述穿孔层的顶上形成不导电的密封层，以便保持和密封所述穿孔层中的所述孔。

Description

打印的有源器件
技术领域
本发明涉及有源电子组件的制造。具体地，本发明涉及三维(3D)打印制品的制造，该3D打印制品包括与该制品的组织成为一体的3D打印的热电子(thermionic)电子组件。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)，也称为三维(3D)打印，是通过增材处理根据诸如数字模型这样的模型制造三维固体物体的处理，在该增材处理中，材料被依次层叠、粘附、固结或者要么沉积，直到形成该固体物体。这种方法与传统制造技术截然不同，在传统制造技术中，由本身可以被机械加工、铸造或模制的部件的组装形成制品。
与传统制造技术相比，增材制造具有许多好处，包括技术上的好处和商业上的好处。技术上，增材制造允许由增长数目的材料(包括塑料、金属和陶瓷)创造三维物体的几乎任何布置。该布置可以包括复杂的特征，甚至是在内部的复杂的特征，这是因为用于制造的增材方法能够产生复杂的结构。与传统方法相比，增材方法产生更少的废物，增强了制造的制品之间的一致性、改善了利用所需的最低设置根据最初设计进行制造的速度、提供了具有新颖的结构和形状及材料的新组合的优点。
商业上，增材制造比传统制造技术提供了相当大的成本节约，特别是在用于制造的制品的数目相对小的情况下。例如，使用增材制造容易以低成本生产原型、概念验证(proof-of-concepts)、备件和在孤僻或偏远的位置(诸如在轨道或空间中)制造的制品。制造的速度也是一个好处，因为能够根据三维设计相对迅速地生产三维制品。
增材制造涵盖了许多方法。挤压沉积(extrusion deposition)是用于增材制造的方法，其中，以受控的方式通过可移动的挤压机(“打印头”)、可移动的台或支撑物、或可移动的挤压机以及可移动的台或支撑物两者来挤压材料珠。受挤压的珠迅速***以形成制品的一层或一部分，在该层或部分上可以进行进一步的挤压。通过这种方式，添加式地组合出制品。
一种另选的方法是颗粒材料的选择性熔合，诸如金属或聚合物的选择性烧结或熔化。使用这种方法，颗粒材料被沉积成多个层并且使用例如对流热、激光或电子束选择性的烧结、熔化或固结。选择是基于制品的三维模型以分层方式来进行的。通过这种方式，添加式地组合出制品。
由于增材制造不适合用于利用许多迥然不同的材料制造复杂的现代电子组件，因此使用增材制造来生产电气或电子器件受到了严重限制。当增材制造已经在具有组件插座和与用于电连接的沟槽或路线(route)结合的互连件的平面电路板布局的打印中找到应用时，当前对增材制造处理之后的电气和电子组件的布置、安装和/或组装存在要求。对制造后组装和/或安装的这种要求具有以下显著缺点：组件位置、插座和路线必须在增材式制造的产品中是可接近的。因此，在电子领域中完全失去了实际生产复杂的、内在化的和可能不可接近的结构的增材制造的巨大有益特性。此外，对制造后组装和/或安装的要求强加了额外的制造步骤的负担，这些负担显著削弱了增材制造的好处。
因此，使用没有上述缺点的增材制造方法来生产电子器件将将是有益的。
发明内容
在第一方面，本发明相应地提供了一种用于制造具有集成有源电子组件的制品的方法，所述方法包括以下步骤：使用增材制造处理，用于：a)形成不导电的基板；b)形成具有孔的不导电的穿孔层；c)在所述孔中形成间隔开的导电的阳极元件和阴极元件；d)对所述元件中的每一个沉积适于在所述元件之间施加电位差的导电连接件；e)在所述穿孔层的顶上形成不导电的密封层，以便保持和密封所述穿孔层中的所述孔，其中，阴极位于所述孔的中心，并且阳极占据所述孔的壁的至少一部分。
因此，本发明的实施方式提供了通过增材制造处理的方式生产三维制品。这种制造处理的使用允许生产具有诸如二极管和三极管这样的有源电子组件在三维制品的组织(fabric)内的集成的可能的复杂内部特性的所述三维制品。由于有源电子组件的生产和集成作为制品制造处理的一部分，因此不存在对电子组件的生产后组装或安装的要求。因此，具有安装的电子组件的制品的制造可以与制品的实体三维结构的制造同时发生。从电子组件的生产后组装和安装(诸如现有技术的要求与可接近的集成接口等一起的多组件制造的负重担的方法)的考虑，这减轻了制造处理。另外，制造成本由于增材制造处理的使用而显着减小，尤其在诸如在原型或概念验证制造中或者在偏远或难以到达的位置中(诸如在轨道或空间中)需要小数目的制品的情况下。
由于不存在附加组件、附加物，在三维制品的组织内包括有源电子产品将减小该制品的总重量。此外，制品可以被制成更流线型，电子元件部分(componentry)嵌入在该制品内，诸如在该制品内的察觉不出的、不可检测的和/或不显眼的位置的内部。在有源电子组件嵌入到制品中的情况下，组件可以被保护免于暴露到诸如湿气或空气这样的流体。增材制造在微尺度上生产制品的能力在包括以下的所有应用方式中提供了潜在的“智能”(在包括电子元件部分的意义上)的制品：电子产品嵌入到蜂窝电话壳体或盖内；电子产品嵌入到线缆护套内；电子产品嵌入到组织或服装内；电子产品嵌入到诸如消费者装置或娱乐装置这样的其它装置的壳体、盖、壁或其它结构元件内；电子产品在备件中；等等。
消除对针对制造后组装或安装的电气线路和组件位置的可达性(accessibility)的要求显著地重新限定了电气线路和电子器件可以如何在制造的制品中被设计和实现。本发明的实施方式在没有对独立组件或连接件的可达性的要求的情况下提供了有源电子组件的真正的三维布置和这些三维布置之间的连接。这增加了制品的空间或容积的高效利用，并且潜在地提供了由在控制下的相同装置的电路占用的有源电子组件的再利用。垂直互连可以提供诸如电子组件和电路的立方体布置或其它三维布置这样的三维处理元件。电子组件的分层架构可以用单个三维制品层内的多层的有源电子组件产生。诸如电力提供、电力耗散、热能耗散等这样的共同的服务可以通过包括作为增材制造处理的部件的服务层(诸如用于电力供应的金属层或用于热消散或转移的热高效传导材料层)的层结构(strata)来提供。可想到地，通道和导管可以被提供、制造为增材制造处理的、用于诸如冷却剂或气体这样的流体的流通的组件，以进一步为电子组件提供诸如转移来自制品内部的热(诸如由有源电子组件产生的热)等这样的服务。
使用热电子电子组件的一个特别的优点是这些组件的优于诸如硅晶体管之类的硅等同物的好处。热电子组件具有显著的鲁棒性，并且提供了改善的模拟信号传递特性。例如，热电子组件对电磁脉冲和太阳耀斑活动有高度抵抗力，这对关于应用到卫星技术或关键基础设施***提供了特定好处。
虽然热电子电子组件的使用已经大量地由半导体等同物取代，但是本发明人已经基于制造这些组件的简单性、现在存在于增材制造的领域中的能力、这些组件的有效性和它们的可靠性意识到这些组件在增材制造的领域中的惊人的好处。
优选地，形成所述基板、所述穿孔层和所述密封层中的一个或更多个的步骤包括在所述孔与所述制品的排空端口之间形成提供流体连通的通道，其中，所述排空端口适于排空所述孔中的气体，以便在所述孔中产生类似真空的条件。
优选地，所述增材制造处理发生在大体上由惰性气体组成的密封气氛中，以便在形成所述密封层时包住所述孔中的惰性气体。
优选地，所述阳极和所述阴极定位在所述孔的相反侧。
优选地，所述阴极位于所述孔的中心，并且所述阳极占据所述孔的壁的至少一部分。
优选地，所述增材制造处理包括挤压沉积处理。
优选地，所述增材制造处理包括颗粒材料固结处理。
优选地，所述方法还包括以下步骤：使用所述增材制造处理来形成与所述阴极热接近的细丝元件，以便在使用中由所述阴极诱导热电子发射。
优选地，所述方法还包括使用所述增材制造处理以：形成与所述阳极元件和所述阴极元件间隔开并位于所述阳极元件和所述阴极元件之间的导电的栅格(grid)元件；以及对所述栅格沉积用于向所述栅格提供电信号的导电连接件，使得所述栅格调节从所述阴极到所述阳极的电子传输。
优选地，以下中的至少一个是用陶瓷形成的：所述不导电的基板，所述穿孔层，以及所述密封层。
优选地，以下中的至少一个是由镓合金形成的：所述阳极，所述栅格，以及所述导电连接件。
优选地，所述镓合金是镓和铟的二元共晶合金。
优选地，所述阴极包括钨。
在第二方面，本发明相应地提供了一种具有由任一前述方法的处理制造的集成有源电子组件的制品。
在第三方面，本发明相应地提供了一种3D打印的设备，所述设备包括与所述设备的组织成为一体的3D打印的热电子电子组件。
优选地，所述热电子电子组件是包括阴极和阳极的二极管。
优选地，所述热电子电子组件是三极管，该三极管包括阴极、阳极和用于调节从所述阴极到所述阳极的电子通路的栅格。
优选地，所述设备还包括3D打印的电路。
在第四方面，本发明相应地提供了一种增材制造设备，该设备用于制造具有集成有源电子组件的制品，所述设备包括：计算机***；第一增材制造组件，其适于形成不导电的三维结构；第二增材制造组件，其适于形成导电的三维结构；其中，所述第一增材制造组件和所述第二增材制造组件能够在所述计算机***的控制下进行操作，所述计算机***适于控制这些组件，用于：a)形成不导电的基板；b)形成具有孔的不导电的穿孔层；c)在所述孔中形成间隔开的导电的阳极元件和阴极元件；d)对所述元件中的每一个沉积适于在所述元件之间施加电位差的导电连接件；e)在所述穿孔层的顶上形成不导电的密封层，以便保持和密封所述穿孔层中的所述孔，其中，阴极位于所述孔的中心，并且阳极占据所述孔的壁的至少一部分。
在第五方面，本发明相应地提供了一种用于控制增材制造设备的计算机***，所述增材制造设备适于同时由不导电材料和导电材料二者制造三维结构，所述计算机***能操作为控制所述增材制造设备来执行上述的方法。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方式，其中：
图1描绘了具有根据本发明的实施方式生产的集成二极管电子组件的示例性三维制品；
图2描绘了具有根据本发明的实施方式生产的集成三极管电子组件的示例性三维制品；
图3描绘了根据本发明的实施方式的在顶上具有不导电穿孔层的不导电基板的布置；
图4描绘了根据本发明的实施方式的图3的布置，其具有形成在孔中的导电的阳极、阴极和栅格元件(grid element)；
图5描绘了根据本发明的实施方式的图4的布置，其具有到形成在孔中的各元件的导电连接；
图6描绘了根据本发明的实施方式的图5的布置，其具有形成在穿孔层的顶上的不导电密封层；
图7描绘了根据本发明的实施方式的具有集成有源电子组件并具有到制品的排空端口(evacuation port)的通道的示例性三维制品；
图8描绘了根据本发明的实施方式的具有按多层设置的集成有源电子组件的示例性三维制品；
图9是根据本发明的实施方式的适用于控制增材制造机的操作的计算机***的框图；
图10是根据本发明的实施方式的增材制造设备的组件图；
图11是根据本发明的实施方式的制造具有集成有源电子组件的制品的方法的流程图；以及
图12描绘了根据本发明的实施方式的设置在制品的孔中的有源电子组件的布置。
具体实施方式
图1描绘了具有根据本发明的实施方式生产的集成二极管120电子组件的示例性三维制品100。制品100是使用增材制造方法构造的，该增材制造方法包括诸如尤其是以下技术这样的一种或更多种技术：挤压沉积处理；材料固结处理(诸如选择性的激光烧结、直接金属激光烧结、选择性的激光熔化或电子束熔化)；和/或立体光刻(stereolithographic)法(诸如光聚作用)。这些技术也称为3D打印，并且这些技术的产品或所得制品称为3D打印制品或设备。制品100包括实体结构102，诸如主体、框架、点阵(lattice)、布置或总体上构成该制品的其它结构，其它的称为制品的组织。例如，制品100可以是，尤其是：部件；原型；组件；器具；工具；盖；壳体；模型；或任何其它可想到的三维制品。实体结构102用增材制造处理由不导电材料形成。例如，实体结构102是诸如聚合物这样的塑料，并且优选地是能够耐受高温的塑料。另选地，实体结构102可以由陶瓷或类似材料形成。对于本领域技术人员，适用于形成实体结构102的其它不导电材料将是显而易见的。
制品100已形成在实体结构102内，并且与该实体结构102和作为二极管120的有源电子组件成为一体。二极管120与制品100的组织成为一体，并且至少部分地由制品100的实体结构102构成。本领域技术人员将要领会的是，诸如二极管、整流器、三极管等这样的有源电子组件是需要电源用于其功能中的一个或更多个功能的电子组件，与不需要电源用于操作的诸如电阻器或电容器这样的无源电子组件不同。二极管120形成在制品100的实体结构102中的孔中。在该孔的一端处，阴极106形成为导电元件。在该孔的另一端处，并且与阴极106间隔开，阳极108形成为第二导电元件。阴极106和阳极108通过增材制造处理来形成。在一个实施方式中，阳极是由Ladd等人在“3D Printing of Free Standing Liquid MetalMicrostructures”(Collin Ladd et al,Advanced Materials,Volume 25,Issue 36,pages 5081–5085,September 25,2013)中描述的用于液态金属结构的3D打印技术来形成。Ladd等人描述了一种在室温下挤压导电金属线的方法。这种方法特别适合于与其它材料的挤压(诸如聚合物挤压)相结合。例如，阳极108可以由诸如镓和铟的二元共晶合金这样的镓合金构成，该镓合金可以如由Ladd等人所描述的在室温下在增材制造处理中被挤压。此外或另选地，阴极106和/或阳极108通过诸如烧结这样的材料固结处理而形成。例如，可以采用直接金属激光烧结来用于阳极108和/或阴极106的形成，在该直接金属激光烧结中，激光被用于精确且有选择地烧结金属粉末。
阴极106是热阴极，其进行加热以导致电子从阴极106的热电子发射。在一个实施方式中，阴极106还用作细丝，以实现所需的加热。另选地，设置单独的细丝104与阴极106热接近，以便加热阴极106以由阴极106诱导热电子发射。优选地，阴极106由具有高热阻的电导体(诸如钨或钨合金)形成。已知可通过诸如固结钨3D打印处理这样的增材制造处理来形成这些材料，如可由ExOne Company(例如，ExOne的M-Flex 3D printer)得到的。
阳极108和阴极106中的每一个电连接到导电的电连接件114、112。电连接件114和112适用于在阳极108与阴极106之间赋予电位差。例如，阳极108电连接件114连接到正电位的源(诸如正电压)，而阴极106电连接件112连接到相对更小电位的源(诸如地)。在有的情况下，细丝104还具有用于为该细丝供电以产生热的电连接件110。电连接件110、112、114形成为诸如以上描述的Ladd等人的方法或在制造制品100的同时通过增材制造而沉积导电连接件的任何适当的方法之类的增材制造处理的部件。
最优选地，形成用于二极管120的孔是密封的真空，诸如可以通过稍后描述的方式来实现。另选地，孔是诸如稀有气体或氮气这样的惰性气体的密封的储存室，该惰性气体的对通过阴极并来自该阴极的热电子发射和电子转移的反应性和效果是可预测和已知的。为了确保在制品100的孔中提供惰性气体，可以在基本上由惰性气体组成(优选完全地由惰性气体组成)的密封气氛中执行制品的增材制造处理100，以便在密封孔时包住该孔中的惰性气体。
因此，制品100包括作为二极管120的有源电子组件。当在热阴极106与阳极108之间赋予电位差时，电子将按照从真空管二极管中已知的方式从阴极106行进到阳极108。
图2描绘了具有根据本发明的实施方式生产的集成三极管240电子组件的示例性三维制品200。图2的中的许多特征与以上针对图1描述的相同，并且将在此不再重复这些特征。图2还包括栅格220元件，作为与阴极106和阳极108间隔开并位于阴极106和阳极108之间的导电元件，关联的沉积的电连接件224用于向栅格220提供电信号。从阴极106的热电子发射产生的电子可越过栅格220，并且栅格220根据由电信号确定的栅格220的电位调节电子从阴极206到阳极108的传输。这样的栅格220诸如通过以上描述的Ladd等人的特别适合于创造导电元件的栅格、点阵或阵列布置的方法形成为用于制品200的增材制造处理的部件。
因此，制品200包括作为三极管240的有源电子组件。当在热阴极106与阳极108之间赋予电位差时，电子将按照从真空管三极管或阀中已知的方式从阴极106行进到阳极108，由用于栅格220的电信号确定的在该栅格220处的电位进行调节。
因此，根据图1或图2布置的本发明的实施方式提供了3D打印的制品或设备100、200，该制品或设备100、200包括与该设备100、200的组织102成为一体的3D打印的热电子电子组件120、240。热电子电子组件的120、240是包括阴极106和阳极108的二极管，或包括阴极106、阳极108和用于调节从阴极到阳极的电子通道的栅格220的三极管。设备100、200还可以包括3D打印的电路，其是通过将外部连接到该设备或者可想到地连接到该设备100、200中的在别处的其它有源电子组件的导电连接件110、112、114、224的形式。
现在将描述诸如制品100或制品200这样的制品的增材制造的示例性方法。图3描绘了根据本发明的实施方式的在顶上具有不导电穿孔层304的不导电基板302的布置。首先使用诸如在上文中描述的增材制造处理由诸如塑料、聚合物或陶瓷这样的不导电材料形成基板302。随后，使用与该基板的制造处理相似的制造处理在该基板的顶上形成穿孔层304，除了将一个或更多个孔306形成在该穿孔层304中之外。孔306被例示为矩形形状，然而将要领会的是可以使用任何形状。在一个实施方式中，孔306的形成通过限定穿孔层304的数字模型来实现，限定穿孔层304的数字模型包括通过控制增材制造处理的控制设备或处理限定孔306以及解释该数字模型，以便控制该增材制造处理诸如通过在孔306的位置略过而不挤压或不固结不导电材料的方式来创造孔306。
图4描绘了根据本发明的实施方式的图3的布置，其具有形成在孔中的导电的阴极402、阳极406和栅格404元件。增材制造处理被用于形成阴极402、阳极406和(可选地)栅格404作为以上描述的导电元件。例如，Ladd等人的方法被用于提供阳极406和栅格404。可以通过使用诸如直接金属激光烧结这样的烧结技术通过固结钨3D打印来提供阴极402。虽然图4用栅格404元件来例示，但是将要领会的是，二极管有源电子组件的生产不需要栅格404元件。此外，将要领会的是，可以在孔中以与阴极402的热接近地方式额外设置单独的细丝。图5描绘了根据本发明的实施方式的图4的布置，其具有连接到形成在孔306中的元件402、404和406中的每一个的导电的电连接件502、504和506。优选地通过以上描述的Ladd等人的方法来提供导电的电连接件502、504和506。
图6描绘了根据本发明的实施方式的图5的布置，其具有形成在穿孔层304的顶上的不导电密封层602。不导电密封层602按照与基板302和穿孔层304相似的方式并使用相似或相同的材料而形成。密封层602用于保持并密封穿孔层304中的孔306。在一个实施方式中，形成至少一个密封层602，此时制造的制品被封闭在由稀有气体组成的密封气氛中并且孔306的密封是气密的，使得没有流体连通进入或离开孔306。
在另选的实施方式中，密封层602并不对孔进行气密性地密封，如将参照图7描述的。图7描绘了根据本发明的实施方式的具有集成有源电子组件并具有到制品的排空端口702的通道706的示例性三维制品700。制品700通过如上描述的增材制造处理来制造，使得集成有源电子组件与设备700的组织成为一体。此外，该增材制造处理适于形成用于有源电子组件(可能多个有源电子组件)的孔与排空端口702之间的流体连通的通道706。通道706可以形成在基板302、穿孔层304或密封层602中的任一个或多个中，并且除了通道706不能中断制品700中的任何导电的电连接件以外，通道706的方向、路径或路线不受限制。通道706经由开口704进入电子组件的孔，与每个电子组件接口连接。排空端口702设置在通道706的一端处或在沿着通道706的某点处，以便实现气体从通道706和制品700中的有源电子组件的孔中排空。排空可以通过使用真空泵等来实现，并且随后密封排空端口702以便维持有源电子器件的孔中的类似真空的条件。优选地，这些孔包含真空，以便改善由阴极402处的热电子发射产生的电子的传输。
图8描绘了根据本发明的实施方式的具有按层802、804设置的集成有源电子组件的示例性三维制品800。由于根据本发明的实施方式采用增材制造处理来制造制品，因此有源电子组件的新颖的、高效的和有效的布置的范围增大。图8例示了这些组件可以如何布置在层802和804中以使制品800分层，并且电子组件之间的可能的电连接出现在层内和层间，并且可能跨越许多层。不论这些连接出现的方向如何，这些连接都可以通过制品800的3D模型来进行建模，并且可以被生成为增材制造处理的部件。同样地，可以根据制品800的要求来调节、改变、配置和/或调整有源电子组件本身的取向、形状和尺寸。
将要领会的是，无源电子组件还可以形成为增材制造处理的部件，诸如电阻器和电容器。这些无源组件相对简单地制造。例如，电阻器可以形成为陶瓷材料的固体打印块。可能需要将无源组件与制品的实质主体相绝缘的手段，并且可以通过将这些组件封闭在制品内的孔中、由电连接件悬置或保持在适当位置来实现该手段。同样地，可以使用除了具有沉积在孔中的两个平行金属板以外与有源电子器件相似的结构来创造电容器。因此，可以使用增材制造方法与三维制品一体地形成对于电子设备的基本上所有的电子和逻辑要求所需的有源组件和无源组件。
图9是根据本发明的实施方式的适用于控制增材制造机的操作的计算机***的框图。中央处理单元(CPU)902经由数据总线908通信地连接到存储器904和输入/输出(I/O)接口906。存储器904可以是诸如随机存取存储器(RAM)或非易失性存储装置这样的任何读/写存储装置。非易失性存储装置的示例包括磁盘或磁带存储装置。I/O接口906是用于数据的输入或输出或者用于数据的输入和输出二者的到设备的接口。可连接到I/O接口906的I/O装置的示例包括键盘、鼠标、显示器(诸如监视器)和网络连接件。
图10是根据本发明的实施方式的增材制造设备1006的组件图。增材制造设备1006是包括用于由导电材料形成三维结构的导电增材制造部(manufacturer)1008和用于由不导电材料形成三维结构的不导电增材制造部1010在内的组合设备。布置制造部1008和1010，以便在制造期间对相同的主题制品进行操作，使得该制品可以经受导电内容或不导电内容的制造的任一个或两个。本领域技术人员将要领会的是，这两个制造部1008和1010可以被组合或集成为单个组件，该单个组件能够在能够容纳导电材料和不导电材料二者的多种模式下进行操作。这两个制造部1008和1010同步地和/或同时或者以同步和同时模式二者的混合方式进行操作。例如，在发生导电增材制造处理使得不导电处理可以同时发生的情况下，则可以采用(尽管不一定)操作的同时模式。制造部1008和1010的操作优选地是计算机控制的。在图10的实施方式中，计算机***1012通信地连接到导电增材制造部1008和不导电增材制造部1010，用于针对要进行的增材制造操作指示制造部1008和1010中的每一个。计算机***1012响应于用于制造的制品的规范1004。在一个实施方式中，规范1004是用于制造的制品三维规范的数字表示。例如，对于基于挤压的制造处理，该规范可以包括对用于挤压的材料的限定以及对以下各部件的位置、定位、布置或配置的限定：一个或更多个挤压头、用于粘合剂、调节器(setter)、环氧树脂等的头和/或台、工件或制品保持器。可以使用指定离散的或相对的移动或重定位(relocation)等的矢量限定来限定制造处理。另选地，在基于颗粒熔合的增材制造方法中，可以通过规范1004(诸如以用于激光或相似熔合机制的控制指令的方式)来指定熔合、固结、加热等的位置。在本发明的实施方式中，规范1004使用增材制造文件格式(AMF)或立体光刻文件格式(STL)的形式。
由诸如在本领域中已知的3D建模***、计算机辅助设计(CAD)或计算机辅助制造(CAM)***这样的规范限定***1002来提供规范1004。这些***可以适于产生AMF或STL格式的规范1004。这些格式可以适于包括与诸如有源和无源组件这样的电子电路元件及这些电子电路元件之间的电连接件有关的附加信息。
图11是根据本发明的实施方式的制造具有集成有源电子组件的制品的方法的流程图。首先，在步骤1102，通过增材制造处理沉积不导电材料的层作为基板302，诸如塑料或陶瓷层。在步骤1104，通过增材制造处理沉积具有一个或更多个孔306的不导电材料的层作为穿孔层304。通过包括在用于制造的制品的规范1004中的电路设计来限定孔306的配置。在步骤1106，通过增材制造处理在孔306中沉积一组金属元件，布置为阴极、阳极以及需要时的细丝和栅格(三极管的情况)。在步骤1108，通过增材制造处理沉积用于孔306中的这些元件的导电连接件。在步骤1110，在穿孔层304的顶上沉积密封层602。
图12描绘了根据本发明的实施方式的设置在制品的孔中的有源电子组件的布置。先前，孔306已被例示为大致矩形形状。图12例示了具有大致圆形的横截面并且是大致圆柱体形状的孔的一个另选配置。在图12的布置中，阴极1206布置在孔的中心，并且阳极1202布置为占据该孔的壁的至少一部分并可能是该壁的全部。阴极1206还可以设置有绕阴极1206的中心纵轴设置的细丝。在不导电基板302、穿孔层304和/或密封层602不太能够承受高温(诸如为某些塑料和聚合物)的情况下，图12的布置是优选的，因为细丝能够设置成远离孔的壁，并且如果由诸如电连接装置适当地配置并支承，也远离基板和密封层602，被大体上居中地设置在中心定位的阴极1206中。此外，在三极管布置中，栅格1204以同心布置方式围绕阴极1206设置，以调节由于从热阴极1206向阳极1202的热电子发射产生的电子流。
在所描述的本发明的实施方式至少部分地使用软件控制的可编程处理装置(诸如微处理器、数字信号处理器或其它处理装置、数据处理设备或***)是可实现的情况下，将要领会的是，用于配置可编程装置、设备或***来实现前面描述的方法的计算机程序被视为本发明的一个方面。该计算机程序可以被实现为源代码或经受用于在处理装置、设备或***上实现的汇编，或者可以被实现为例如目标代码。
适当地，该计算机程序以机器或装置可读形式被存储在载体介质上，例如被存储在固态存储器、诸如磁盘或磁带这样的磁存储器、诸如光盘或数字多功能盘这样的光学或磁-光学可读存储器等中，并且处理装置利用程序或其一部分来配置它用于操作。可以从在通信介质中实现的远程源(诸如电子信号、射频载波或光学载波)来提供该计算机程序。这种载体媒介也被视为本发明的方面。
本领域技术人员将要理解的是，虽然已经与上述示例实施方式相关地描述了本发明，但是本发明不限于此，并且存在落入本发明的范围内的许多可能的变型和修改。
本发明的范围包括本文中所公开的任何新颖特征或特征的组合。申请人特此告知，在本申请或源于本申请的任何这样的其它申请的诉讼期间，可以根据这些特征或特征的组合设计出新的权利要求。具体地，参照所附的权利要求，来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求中的特征组合，并且来自各个独立权利要求的特征可以以任何适当的方式进行组合，而不是仅仅按权利要求中列举的特定组合进行组合。

Claims (13)

1.一种制造具有集成有源电子组件的制品的方法，所述方法包括以下步骤：
使用增材制造处理，用于：
a)形成不导电的基板；
b)形成具有孔的不导电的穿孔层；
c)在所述孔中形成间隔开的导电的阳极元件和阴极元件；
d)对所述元件中的每一个沉积适于在所述元件之间施加电位差的导电连接件；
e)在所述穿孔层的顶上形成不导电的密封层，以便保持和密封所述穿孔层中的所述孔，
其中，阴极位于所述孔的中心，并且阳极占据所述孔的壁的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述基板、所述穿孔层和所述密封层中的一个或更多个的步骤包括在所述孔与所述制品的排空端口之间形成提供流体连通的通道，其中，所述排空端口适于排空所述孔中的气体，以便在所述孔中产生类似真空的条件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在大致由惰性气体组成的密封气氛内进行所述增材制造处理，以便在形成所述密封层时包住所述孔中的惰性气体。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述增材制造处理包括挤压沉积处理。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述增材制造处理包括颗粒材料固结处理。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使用所述增材制造处理来形成与所述阴极热接近的细丝元件，以便在使用中由所述阴极诱导热电子发射。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，所述方法还包括使用所述增材制造处理以：形成与所述阳极元件和所述阴极元件间隔开并位于所述阳极元件和所述阴极元件之间的导电的栅格元件；以及对栅格沉积用于向所述栅格提供电信号的导电连接件，使得所述栅格调节从所述阴极到所述阳极的电子传输。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，以下中的至少一个是用陶瓷形成的：所述不导电的基板，所述穿孔层，以及所述密封层。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，以下中的至少一个是由镓合金形成的：所述阳极以及所述导电连接件。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述镓合金是镓和铟的二元共晶合金。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述阴极包括钨。
12.一种增材制造设备，所述设备用于制造具有集成有源电子组件的制品，所述设备包括：
计算机***；
第一增材制造组件，其适于形成不导电的三维结构；
第二增材制造组件，其适于形成导电的三维结构；
其中，所述第一增材制造组件和所述第二增材制造组件能够在所述计算机***的控制下进行操作，所述计算机***适于控制这些组件，用于：
a)形成不导电的基板；
b)形成具有孔的不导电的穿孔层；
c)在所述孔中形成间隔开的导电的阳极元件和阴极元件；
d)对所述元件中的每一个沉积适于在所述元件之间施加电位差的导电连接件；
e)在所述穿孔层的顶上形成不导电的密封层，以便保持和密封所述穿孔层中的所述孔，
其中，阴极位于所述孔的中心，并且阳极占据所述孔的壁的至少一部分。
13.一种用于控制增材制造设备的计算机***，所述增材制造设备适于同时由不导电材料和导电材料二者制造三维结构，所述计算机***能操作为控制所述增材制造设备来执行权利要求1至11中的任一项所述的方法。
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