Nat. Microsyst.Nanoeng.｜基于双光子聚合和金属蒸发技术实现低成本定制化3D 打印MEMS

瑞典皇家理工学院KTH的研究人员提出了一种使用 3D 打印技术制造微机电系统 (MEMS)对新方法。该方法成本低、效率高效，并且能够小批量加工定制设计的MEMS 设备，其可为机器人、导航等领域的传感器的加工提供解决方案。相关研究成果已发表于 Nature: Microsystems & Nanoengineering (www.doi.org/10.1038/s41378-022-00440-9)。

目前，尽管使用大规模半导体制造技术可以高效地大批量生产 MEMS ，但由于制造工艺开发和设备设计优化的高启动成本，中小批量制造 MEMS 组件仍具有挑战性。领导该研究的Frank Niklaus教授表示，工程师经常必须在使用非最优的现成 MEMS 设备和高经济成本之间做出选择。因为制造工艺开发和设备设计优化的成本不会因产量下降而降低。

本研究中，该团队使用双光子聚合工艺结合金属蒸发形成应变计传感器，展示了一种 3D 打印的功能性 MEMS 加速度计。它表征了加速度计随时间变化的响应度、共振频率和稳定性，并确认其成功运行。结果表明，3D 打印方法可以有效地制造各种定制设计的 MEMS 设备。

基于光子学的 3D 打印MEMS 传感器方法能够以经济高效的方式将传感器集成到机器人、导航、医学和其他应用中。开发团队创建的第一个传感器类型是加速度计。它使用双光子聚合工艺与金属蒸发相结合，形成应变计传感器来制造传感器。

双光子聚合过程产生了小至几百纳米的高分辨率加工点。为了加工元件，研究人员使用了一种模板。具体地，在 3D 打印结构上，研究人员制造了具有 T 形横截面的特征结构，其功能就像一把保护伞。当他们从 3D 打印结构上方的某个点沉积金属时，受这种“保护伞”保护的 T 形特征的侧面不会被沉积金属。 T 顶部的金属与结构的其余部分是不导电的。

使用这种方法，研究人员使用商业化的3D打印设备在短短几个小时内制造了大约 12 个定制设计的 MEMS 加速度计。这种 3D 打印方法可用于 MEMS 设备的模型制作，并以低成本制造每年需求数千至数万个的中小批量 MEMS 传感器。

在此之前，使用传统半导体技术制造 MEMS 产品的启动成本约为数十万美元，而且交货时间为几个月或更长时间， 新的3D 打印 MEMS 技术为 MEMS 和传感器制造提供了更快和更好的选择。

3D 打印的 MEMS 单元。

该方法可用于需要昂贵定制的设备，包括飞机的加速度计以及工业机械的振动传感器。它还可以应用于各种MEMS传感器，例如压力传感器、陀螺仪和流量传感器。其他可以从该技术中受益的小批量产品包括用于机器人、工业工具和风力涡轮机的运动和振动控制单元。

此外，3D 打印可以实现复杂几何形状的新型MEMS 传感器，而目前使用传统的硅微加工方法是无法实现的。研究人员通过将遮蔽元件与定向材料沉积相结合来选择性地实现3D 打印 MEMS 结构的策略是通用的，并促进了创新设计和各种换能器元件的集成。

小批量 3D 打印 MEMS 加速器的设计和制造之间的快速周转使研究人员能够在几个小时内评估设备的性能并对其进行优化。 据研究人员称，从工业角度来看，与标准微制造技术相比，新方法可以显著降低用于中小批量应用时制造 MEMS 设备的启动成本。

新方法的另一个优势是通用性、可扩展性不仅仅是 MEMS 生产的优势，为制造多种新型定制设备奠定了基础。