MEMS 3D打印技術(shù)經(jīng)常面臨各種挑戰(zhàn)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，波蘭西里西亞工業(yè)大學(xué)（Silesian University of Technology）的Tomasz Blachowicz和德國(guó)比勒費(fèi)爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué)（Bielefeld University of Applied Sciences）的Andrea Ehrmann近期在Micromachines發(fā)表了他們的研究成果，題為“3D Printed MEMS Technology—Recent Developments and Applications”

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）已廣泛用于現(xiàn)代各類(lèi)電子應(yīng)用，無(wú)論是在醫(yī)學(xué)、測(cè)量、微流控，還是在物聯(lián)網(wǎng)等各領(lǐng)域中，均可以看到它的身影。MEMS元件常用作微型傳感器或執(zhí)行器，通常由硅制成；近年來(lái)使用聚合物制成的MEMS器件也比較常見(jiàn)。典型的硅基MEMS器件有：壓力傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、噴墨打印頭等。

與單純的微電子學(xué)相比，MEMS制造的標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較低，較難引入新的器件結(jié)構(gòu)；但是如果將MEMS技術(shù)與3D打印相結(jié)合，就可在某些領(lǐng)域中更輕松地制造新器件結(jié)構(gòu)，從而為新應(yīng)用輸入“新鮮血液”。研究者指出，MEMS 3D打印技術(shù)經(jīng)常面臨各種挑戰(zhàn)，但近期許多技術(shù)發(fā)展可能將受益于3D打印的最大優(yōu)勢(shì)——更高的生產(chǎn)效率以及更大的經(jīng)濟(jì)效益。3D打印的常用聚合物是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或聚乳酸（PLA），也可使用聚酰胺（尼龍）或聚碳酸酯。

“盡管3D打印為MEMS技術(shù)的施展提供了更大的自由，但只有平均不到1%的3D打印相關(guān)研究集中在MEMS技術(shù)上?！毖芯咳藛T表示，“這與MEMS制造中3D打印技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)形成了鮮明反差，特別是3D打印還可避免因各向異性蝕刻圖案未對(duì)準(zhǔn)而導(dǎo)致的3D結(jié)構(gòu)欠蝕刻的相關(guān)問(wèn)題?！?br />
“可以預(yù)期，3D打印方法允許以所需的方式剪裁3D形狀，從而通過(guò)適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，使器件結(jié)構(gòu)更可靠?！?br />
然而，該技術(shù)也存在一些挑戰(zhàn)，比如分辨率、熱收縮等參數(shù)的范圍有限。

典型3D打印技術(shù)介紹

Blachowicz和Ehrmann在論文中介紹了2013年Leary等人開(kāi)發(fā)的用于器官芯片和3D打印微流控器件的MEMS通道的研究。不久之后，Lifton等人開(kāi)始探索在微流控和芯片實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域的3D打印技術(shù)，并且比較了制造MEMS器件的各類(lèi)技術(shù)。除了在毒性和生物相容性方面需要對(duì)材料進(jìn)行精心篩選，作者還討論了關(guān)于技術(shù)的選擇，如光刻、雙光子與多光子聚合、噴墨3D打印、金屬增材制造工藝以及組合與融合技術(shù)。

將3D打印與拾取和放置功能結(jié)合，可制造用于聲波流體粒子操縱的3D MEMS器件。（圖片來(lái)源：英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)）

3D打印應(yīng)用于MEMS傳感器和執(zhí)行器

3D打印也可用于各類(lèi)不同的傳感器和執(zhí)行器，如化學(xué)傳感器，物理傳感器，開(kāi)關(guān)和振動(dòng)執(zhí)行器等。

（a）圖為3D打印的MEMS開(kāi)關(guān)概念圖，當(dāng)在固定的底部電極上施加電壓時(shí)，由于靜電作用，在懸浮電極上將產(chǎn)生下拉力；（b）圖為3D打印的工藝步驟。（圖片來(lái)源：美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)）

在航空航天應(yīng)用中，研究者探索使用MEMS介電彈性體執(zhí)行器（dielectric elastomer actuators）與3D打印機(jī)翼骨架相結(jié)合。當(dāng)使用MEMS介電彈性體執(zhí)行器時(shí)，由于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(lái)優(yōu)化機(jī)翼。

圖為微型飛行器的概念設(shè)計(jì)，由MEMS技術(shù)與3D打印相結(jié)合制造而成

Khandekar等其他研究者使用陶瓷聚合物復(fù)合材料為微型衛(wèi)星的微推進(jìn)器3D打印了相關(guān)部件。

“大約20年前，首次出現(xiàn)了3D打印MEMS器件的想法，并在結(jié)合這些技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展。尤其對(duì)于微流控系統(tǒng)和一些MEMS傳感器和執(zhí)行器而言，如今已可通過(guò)各種3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?！毖芯空咴谖闹锌偨Y(jié)道。

“如雙光子聚合技術(shù)等新增材制造技術(shù)，可制備尺寸小于1 μm的最小器件特征。而對(duì)于更成熟的3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)了如何縮小最小特征尺寸的新思路，從而使3D打印越來(lái)越符合MEMS制造的要求?！?/p>