卡內(nèi)基梅隆研究人員利用雙光子聚合（2PP）3D打印柔性微機(jī)電系統(tǒng)

2024年8月31日，南極熊獲悉，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員利用雙光子聚合（2PP）3D打印技術(shù)和柔性印刷電路板（FPCB），開發(fā)出了一種小型、輕便且靈活的微系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了靜電微執(zhí)行器。

研究人員展示了這些系統(tǒng)在可移動(dòng)微鏡陣列中的應(yīng)用，盡管在變形時(shí)，系統(tǒng)依然展現(xiàn)出高精度的控制能力。挑戰(zhàn)在于將金屬濺射集成到制造過(guò)程中，以激活微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的導(dǎo)電3D結(jié)構(gòu)。由于FPCB的靈活性、不平整的表面以及材料的可變反射率，在FPCB上進(jìn)行打印是一項(xiàng)特別復(fù)雜的任務(wù)。這項(xiàng)創(chuàng)新為自適應(yīng)光學(xué)和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用開辟了新的前景。

△集成2×2微鏡陣列的柔性印刷電路板 (FPCB) 示意圖。為了展示FPCB的靈活性和集成能力，在彎曲的基板上彎曲FPCB時(shí)對(duì)微鏡進(jìn)行了測(cè)試

技術(shù)研發(fā)背景

MEMS由于體積小、精度高且能有效集成到電子系統(tǒng)中，已被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、游戲設(shè)備及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等。此外，它們也被用于可穿戴設(shè)備中的傳感器。由于能夠在各種基材上制造出高精度的復(fù)雜微尺度設(shè)計(jì)，基于2PP的 3D打印技術(shù)成為MEMS制造的首選，無(wú)需多個(gè)組裝步驟。

盡管在玻璃載玻片或硅片等剛性基板上進(jìn)行3D打印相對(duì)簡(jiǎn)單，但在FPCB上打印卻面臨巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)镕PCB表面既靈活又不平坦，并由不同高度的材料（如聚酰胺和銅）構(gòu)成。這使得準(zhǔn)確找到界面并打印邊界層變得困難重重。

△制造帶有集成微鏡的柔性印刷電路板 (FPCB)。A)使用SU-8作為臨時(shí)粘合劑將FPCB連接到玻璃基板上。B) 使用2PP將3D結(jié)構(gòu)直接3D打印到FPCB 上。C)打印的結(jié)構(gòu)上濺射鋁涂層。D)電子元件通過(guò)嵌入在FPCB中的銅跡線安裝并連接到執(zhí)行器

2PP技術(shù)在FPCB上實(shí)現(xiàn)高性能微系統(tǒng)與微鏡陣列

在柔性基板上集成微執(zhí)行器面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是在變形情況下保持功能性。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員利用Nanoscribe的2PP 3D打印技術(shù)解決了這些問題。他們的方法能夠在現(xiàn)成的FPCB上精確制造靜電微執(zhí)行器，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)堅(jiān)固且高性能的柔性微系統(tǒng)，即使在顯著變形情況下也能保持驅(qū)動(dòng)能力。這一能力在柔性微鏡陣列中尤為突出，執(zhí)行器可以精確控制鏡子運(yùn)動(dòng)以改變反射光的方向。通過(guò)在制造過(guò)程中利用自動(dòng)化3D打印技術(shù)，可以在大面積上快速制造和集成大量微鏡。在這個(gè)研究項(xiàng)目中，已經(jīng)成功展示了一個(gè)3×9微鏡陣列。

△每個(gè)微鏡由靜電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。結(jié)果是一個(gè)復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，可以使用雙光子聚合 (2PP) 進(jìn)行3D打印。平面和方形微鏡用可移動(dòng)梳子打印，因此當(dāng)電壓施加到致動(dòng)器時(shí)，反射光的方向會(huì)發(fā)生變化

克服柔性電路板3D打印微執(zhí)行器的挑戰(zhàn)

由于柔性印刷電路板（FPCB）的基板非平整，包括多種材料如聚酰胺和銅，3D打印在這種基板上尤為具有挑戰(zhàn)性。研究人員開發(fā)了一種制造策略，能夠在柔性基板的預(yù)制非平面表面上成功3D打印微執(zhí)行器。尤其是，銅跡線和其它結(jié)構(gòu)的高度不一致增加了難度，但通過(guò)定制緩沖層，這一挑戰(zhàn)得到了有效解決。

不同的反射率對(duì)打印表面的識(shí)別提出了挑戰(zhàn)。此外，為確保MEMS結(jié)構(gòu)的牢固安裝，還需要解決FPCB結(jié)構(gòu)的粘附特性問題。在電氣集成方面，3D打印微執(zhí)行器要求在手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的3D打印和金屬沉積步驟中保持高精度。

總的來(lái)說(shuō)，研究人員成功證明了FPCB非常適合用作高精度和高控制的MEMS平臺(tái)。其它類型的微執(zhí)行器（如熱彈性體或液晶彈性體）以及各種電連接MEMS傳感器（如新型電容式傳感架構(gòu)）也可以集成。借助FPCB通過(guò)嵌入式金屬層的集成能力，帶有板載電子設(shè)備的柔性微系統(tǒng)可以為具有電源和控制自主性的智能柔性微系統(tǒng)鋪平道路。