3D打印為小批量功能性MEMS加速度計(jì)設(shè)備，提供低成本解決方案

2022年10月15日，南極熊獲悉，KTH皇家理工學(xué)院的研究人員，開發(fā)了一種3D打印技術(shù)，用于專門制造功能性微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。該方法提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)制造定制MEMS，它們可用作機(jī)器人、導(dǎo)航等特殊領(lǐng)域的傳感器。

△在硬幣旁邊可以看到一個(gè)3D打印的MEMS單元。  采用基于光子學(xué)的3D打印方法，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方式，將傳感器集成到機(jī)器人、導(dǎo)航和其它應(yīng)用場(chǎng)景中。開發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的第一個(gè)傳感器類型是加速度計(jì)。它使用雙光子聚合工藝與金屬蒸發(fā)相結(jié)合，形成應(yīng)變計(jì)傳感器來(lái)制造傳感器

技術(shù)背景
盡管使用大規(guī)模半導(dǎo)體制造技術(shù)，可以高效地大批量生產(chǎn)MEMS，但由于制造工藝開發(fā)和設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化的高啟動(dòng)成本，中小批量制造MEMS組件具有一定挑戰(zhàn)性。領(lǐng)導(dǎo)該研究的Frank Niklaus教授表示，因此，工程師經(jīng)常需要在非最理想的現(xiàn)成設(shè)備，或難以啟動(dòng)的成本之間做出抉擇。

這種傳統(tǒng)的制造工藝，最大的問(wèn)題是“制造工藝開發(fā)和設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化的成本，不會(huì)因小批量而降低，”他說(shuō)。

△a 3D打印的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的SEM圖像。 b 金屬蒸發(fā)前懸臂截面的3D示意圖。c 金屬蒸發(fā)后懸臂截面的3D示意圖，顯示了使電阻電氣隔離的陰影屏蔽機(jī)制。在SEM圖像中顯示的結(jié)構(gòu)被涂上了一層薄薄的濺射金鈀層，以改善SEM圖像的質(zhì)量

3D打印加速度計(jì)
該團(tuán)隊(duì)使用雙光子聚合（TPP，用于制造具有亞微米特征尺寸的3D微結(jié)構(gòu)）結(jié)合金屬蒸發(fā)工藝，以形成應(yīng)變計(jì)傳感器，展示了一種3D打印的功能性MEMS加速度計(jì)。它表征了加速度計(jì)隨時(shí)間變化的響應(yīng)度、共振頻率和穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)測(cè)試，已確認(rèn)該技術(shù)的可行性。結(jié)果表明，3D 打印方法可以有效地制造，各種定制設(shè)計(jì)的MEMS設(shè)備。

雙光子聚合過(guò)程，產(chǎn)生了小至幾百納米，但無(wú)法感知的高分辨率物體。為了形成轉(zhuǎn)換元件，研究人員使用了一種類似于模板的遮蔽技術(shù)。在3D打印結(jié)構(gòu)上，研究人員制造了具有T形橫截面的特征，它的功能就像一把雨傘。當(dāng)他們從3D打印結(jié)構(gòu)上方的某個(gè)點(diǎn)沉積金屬時(shí)，受這種“保護(hù)傘”保護(hù)的T形特征的側(cè)面并沒(méi)有被涂敷金屬。因此，T頂部的金屬與結(jié)構(gòu)的其余部分形成了電隔離。

△電氣特性：(a)中的加速度計(jì)1、(b)中的加速度計(jì)2和(c)中的加速度計(jì)3在不同頻率和壓電開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)量的相對(duì)電阻變化（ΔR/R）。共振頻率的明顯移動(dòng)歸因于大振蕩幅度下聚合物的溫度增加。 d 應(yīng)變儀傳感器的相對(duì)電阻變化作為應(yīng)用于MEMS加速度計(jì)的加速度的函數(shù)，計(jì)算出非共振

使用這種方法，研究人員使用商業(yè)3D打印設(shè)備，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制造了大約12個(gè)定制設(shè)計(jì)的MEMS加速度計(jì)。這種3D打印方法可用于MEMS設(shè)備的原型制作，并以更為經(jīng)濟(jì)的方式，每年可以制造數(shù)千至數(shù)萬(wàn)個(gè)MEMS傳感器。

Niklaus說(shuō)：“這是迄今為止最不可思議的事情，因?yàn)�，使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)制造MEMS產(chǎn)品的啟動(dòng)成本，通常約為數(shù)十萬(wàn)美元，而且交貨時(shí)間為幾個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間。但是，3D打印不僅提供了新功能和更快的交貨時(shí)間，它未來(lái)很有可能 ，將改變MEMS和傳感器制造的游戲規(guī)則。”

該方法可用于制造那些，需要定制的特殊設(shè)備，包括飛機(jī)的加速度計(jì)，以及工業(yè)機(jī)械的振動(dòng)傳感器。它還可以應(yīng)用于各種MEMS傳感器，例如壓力傳感器、陀螺儀和流量傳感器。其它可以從該技術(shù)中受益的小批量產(chǎn)品，包括用于機(jī)器人、工業(yè)工具和風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)控制單元等。

△該團(tuán)隊(duì)的研究成果已發(fā)表Nature微系統(tǒng)與納米工程，題目為“微型3D打印功能的MEMS加速度計(jì)”（傳送門）

3D打印的優(yōu)勢(shì)
此外，3D打印可以為新的MEMS傳感器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的器件幾何形狀，而目前使用傳統(tǒng)的硅微加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)。研究人員通過(guò)將遮蔽元件，與定向材料沉積相結(jié)合來(lái)，選擇性地功能化3D打印MEMS結(jié)構(gòu)的表面的這種思路是通用的，這樣的好處是，有利于創(chuàng)新設(shè)計(jì)和集成各種傳感器。

小批量3D打印MEMS加速器的設(shè)計(jì)和驚人的交貨時(shí)間，使得研究人員能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)評(píng)估設(shè)備的性能，并對(duì)它的功能進(jìn)行優(yōu)化。據(jù)研究人員稱，從工業(yè)角度來(lái)看，與傳統(tǒng)微制造技術(shù)相比，這可以顯著降低，制造用于中小批量定制MEMS設(shè)備的啟動(dòng)成本。

Niklaus說(shuō)：“3D打印技術(shù)的可擴(kuò)展性不僅僅是MEMS的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，這種方法還可以制造多種新的定制設(shè)備�！�