3D列印MEMS技術的最新研究進展及應用

2020-07-07 麥姆斯諮詢

據麥姆斯諮詢報導，波蘭西裡西亞工業大學（Silesian University of Technology）的Tomasz Blachowicz和德國比勒費爾德應用科學大學（Bielefeld University of Applied Sciences）的Andrea Ehrmann近期在Micromachines發表了他們的研究成果，題為「3D Printed MEMS Technology—Recent Developments and Applications」，文章連結為：https://doi.org/10.3390/mi11040434。

微電子機械系統（MEMS）已廣泛用於現代各類電子應用，無論是在醫學、測量、微流控，還是在物聯網等各領域中，均可以看到它的身影。MEMS元件常用作微型傳感器或執行器，通常由矽製成；近年來使用聚合物製成的MEMS器件也比較常見。典型的矽基MEMS器件有：壓力傳感器、陀螺儀、加速度計、MEMS麥克風、噴墨列印頭等。

與單純的微電子學相比，MEMS製造的標準化程度相對較低，較難引入新的器件結構；但是如果將MEMS技術與3D列印相結合，就可在某些領域中更輕鬆地製造新器件結構，從而為新應用輸入「新鮮血液」。研究者指出，MEMS 3D列印技術經常面臨各種挑戰，但近期許多技術發展可能將受益於3D列印的最大優勢——更高的生產效率以及更大的經濟效益。3D列印的常用聚合物是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或聚乳酸（PLA），也可使用聚醯胺（尼龍）或聚碳酸酯。

「儘管3D列印為MEMS技術的施展提供了更大的自由，但只有平均不到1%的3D列印相關研究集中在MEMS技術上。」研究人員表示，「這與MEMS製造中3D列印技術的潛在優勢形成了鮮明反差，特別是3D列印還可避免因各向異性蝕刻圖案未對準而導致的3D結構欠蝕刻的相關問題。」

「可以預期，3D列印方法允許以所需的方式剪裁3D形狀，從而通過適當調整工藝參數，使器件結構更可靠。」

然而，該技術也存在一些挑戰，比如解析度、熱收縮等參數的範圍有限。

3D列印MEMS技術的最新研究進展及應用

典型3D列印技術介紹

Blachowicz和Ehrmann在論文中介紹了2013年Leary等人開發的用於器官晶片和3D列印微流控器件的MEMS通道的研究。不久之後，Lifton等人開始探索在微流控和晶片實驗室領域的3D列印技術，並且比較了製造MEMS器件的各類技術。除了在毒性和生物相容性方面需要對材料進行精心篩選，作者還討論了關於技術的選擇，如光刻、雙光子與多光子聚合、噴墨3D列印、金屬增材製造工藝以及組合與融合技術。

3D列印MEMS技術的最新研究進展及應用

將3D列印與拾取和放置功能結合，可製造用於聲波流體粒子操縱的3D MEMS器件。圖片來源：英國皇家化學學會

3D列印應用於MEMS傳感器和執行器

3D列印也可用於各類不同的傳感器和執行器，如化學傳感器，物理傳感器，開關和振動執行器等。

3D列印MEMS技術的最新研究進展及應用

（a）圖為3D列印的MEMS開關概念圖，當在固定的底部電極上施加電壓時，由於靜電作用，在懸浮電極上將產生下拉力；（b）圖為3D列印的工藝步驟。（圖片來源：美國化學學會）

在航空航天應用中，研究者探索使用MEMS介電彈性體執行器（dielectric elastomer actuators）與3D印表機翼骨架相結合。當使用MEMS介電彈性體執行器時，由於其有潛力擁有更大的承載能力、更高的工作密度以及高頻工作的能力，可利用仿真來優化機翼。

3D列印MEMS技術的最新研究進展及應用

圖為微型飛行器的概念設計，由MEMS技術與3D列印相結合製造而成

Khandekar等其他研究者使用陶瓷聚合物複合材料為微型衛星的微推進器3D列印了相關部件。

「大約20年前，首次出現了3D列印MEMS器件的想法，並在結合這些技術方面取得了很大進展。尤其對於微流控系統和一些MEMS傳感器和執行器而言，如今已可通過各種3D列印技術來實現。」研究者在文中總結道。

「如雙光子聚合技術等新增材製造技術，可製備尺寸小於1 µm的最小器件特徵。而對於更成熟的3D列印技術來說，出現了如何縮小最小特徵尺寸的新思路，從而使3D列印越來越符合MEMS製造的要求。」

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