面向柔性MEMS應(yīng)用的功能性聚酰亞胺薄膜及微結(jié)構(gòu)的微制造

聚酰亞胺（PI）憑借其高熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性、介電性能和生物相容性等綜合特性，已廣泛應(yīng)用于微電子、傳感器、儲能、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域。作為一類重要的商業(yè)化聚合物，聚酰亞胺被制造為薄膜、纖維、泡沫、復(fù)合材料和粘合劑等形式。

聚酰亞胺納米纖維和納米復(fù)合纖維具有各種高價值的應(yīng)用，例如氣體分離膜、電池隔膜以及組織支架等。自20世紀(jì)90年代以來，聚酰亞胺薄膜已被應(yīng)用于MEMS傳感器件的開發(fā)。2021年，全球聚酰亞胺薄膜市場規(guī)模達(dá)到了22億美元，聚酰亞胺薄膜被用于各種高科技領(lǐng)域，包括太陽能電池、柔性顯示器、柔性印刷電路板、器件封裝以及柔性傳感器等等。

不過，迄今為止聚焦聚酰亞胺薄膜微制造（microfabrication）技術(shù)的綜述還很少。1994年，F(xiàn)razier等人回顧了用于制造金屬微結(jié)構(gòu)的光敏聚酰亞胺和等離子體蝕刻工藝。1995年，F(xiàn)razier討論了石墨/聚酰亞胺復(fù)合材料的傳感器應(yīng)用。2007年，一篇關(guān)于微型傳感器和執(zhí)行器新材料的綜述介紹了聚酰亞胺的加工技術(shù)，包括濕法蝕刻、干法蝕刻、光刻和激光燒蝕等。2016年，Kim和Meng綜述了聚合物微制造技術(shù)的發(fā)展，其中簡要討論了聚酰亞胺的微制造策略。

隨著MEMS和柔性電子技術(shù)的迅速發(fā)展，近年報道了一系列聚酰亞胺薄膜和納米復(fù)合薄膜的制造新技術(shù)。例如，激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）技術(shù)已被廣泛用于機(jī)械和化學(xué)傳感器。聚酰亞胺薄膜的干法刻蝕和應(yīng)力誘導(dǎo)自組裝策略也已廣泛應(yīng)用于可拉伸電子器件和柔性3D微器件。

聚酰亞胺的熱鍵合和粘合劑鍵合在微流控、柔性傳感器和MEMS異質(zhì)集成中展示了各種應(yīng)用。因此，很有必要回顧聚酰亞胺傳統(tǒng)微機(jī)械加工技術(shù)的30多年積累，全面總結(jié)近年新開發(fā)的制造策略。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，北京航空航天大學(xué)蔣永剛教授課題組近期系統(tǒng)地總結(jié)了成膜、材料轉(zhuǎn)換、微圖案化和3D微加工背后的聚酰亞胺微制造技術(shù)。此外，還重點(diǎn)介紹了聚酰亞胺微制造技術(shù)在MEMS傳感器和柔性電子器件中的代表性應(yīng)用。該研究成果已經(jīng)以“Microfabrication of functional polyimide films and microstructures for flexible MEMS applications”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

聚酰亞胺微制造技術(shù)及其應(yīng)用

聚酰亞胺真空輔助旋涂和氣相沉積

通過聚酰亞胺熱解的柔性傳感器

聚酰亞胺的微圖案化

為了滿足柔性MEMS對聚酰亞胺微結(jié)構(gòu)日益增長的需求，已經(jīng)開發(fā)了各種微圖案化技術(shù)，包括光刻、干法蝕刻、濕法蝕刻、激光蝕刻和圖案轉(zhuǎn)移。研究人員總結(jié)了這些微圖案化方法的機(jī)理和技術(shù)細(xì)節(jié)。

利用干法蝕刻進(jìn)行聚酰亞胺圖案化

圖案化聚酰亞胺的器件應(yīng)用

3D聚酰亞胺結(jié)構(gòu)的微制造

利用傳統(tǒng)MEMS技術(shù)獲得3D結(jié)構(gòu)一直存在技術(shù)挑戰(zhàn)。研究人員總結(jié)了3D聚酰亞胺結(jié)構(gòu)的鍵合和自組裝過程。此外，還討論了基于聚酰亞胺管的微制造技術(shù)所取得的進(jìn)展。

聚酰亞胺3D結(jié)構(gòu)

總結(jié)與展望

聚酰亞胺2D/3D微結(jié)構(gòu)在MEMS傳感器和柔性電子領(lǐng)域的廣泛新興應(yīng)用，為總結(jié)成熟的微制造技術(shù)并開發(fā)新的微制造和組裝方法提供了動力。研究人員聚焦聚酰亞胺微制造，介紹了其沉積、圖案化、鍵合和組裝技術(shù)及其各自應(yīng)用。

盡管MEMS技術(shù)的悠久歷史為聚酰亞胺的微制造奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，但隨著材料科學(xué)的創(chuàng)新和柔性電子技術(shù)的迅速發(fā)展，興起了新的制造方法，如聚酰亞胺納米復(fù)合膜EBD、基于FEP的聚酰亞胺鍵合以及聚酰亞胺管實(shí)驗(yàn)室等。

技術(shù)挑戰(zhàn)包括高分辨率PSPI的開發(fā)、聚酰亞胺與各種聚合物的集成、局部LIG和EBD工藝均勻水平的提高、HAR聚酰亞胺微結(jié)構(gòu)的等離子體蝕刻以及3D聚酰亞胺器件的批量制造等。

基于新型聚酰亞胺的多模態(tài)柔性傳感器、微導(dǎo)管和軟機(jī)器人存在巨大的市場機(jī)遇，需要聚酰亞胺制造技術(shù)的不斷進(jìn)步。研究人員認(rèn)為，一個潛在的技術(shù)方向是在中等溫度下在聚酰亞胺膜上沉積功能性有機(jī)/無機(jī)材料，以擴(kuò)展基于聚酰亞胺的傳感器和執(zhí)行器的換能機(jī)制。

另一種重要的制造技術(shù)是具有高空間分辨率聚酰亞胺微結(jié)構(gòu)的3D或4D打印，為開發(fā)多功能聚酰亞胺器件提供一種通用方法。過去幾十年來，硅基MEMS與集成電路的集成在技術(shù)演進(jìn)中取得了巨大成功，賦予產(chǎn)品高附加值。

同樣，聚酰亞胺傳感器與柔性電子器件的集成也存在巨大的需求和機(jī)遇。研究人員預(yù)計，通過標(biāo)準(zhǔn)化聚酰亞胺的微制造工藝和其他智能材料的異質(zhì)集成，有望迎來聚酰亞胺基柔性傳感器、電子器件及集成系統(tǒng)的新時代。

審核編輯：劉清