壓電材料結(jié)合屈曲誘導(dǎo)，讓3D MEMS微結(jié)構(gòu)“舞動(dòng)”起來(lái)

圖為一款具有五個(gè)獨(dú)立PZT微執(zhí)行器的代表性3D介觀結(jié)構(gòu)。A）該系統(tǒng)的2D架構(gòu)示意圖；B）通過(guò)受控雙軸壓縮屈曲組裝后的3D系統(tǒng)圖示；C）版圖擴(kuò)展視圖；D）該3D架構(gòu)的光學(xué)圖像；E）該3D架構(gòu)的頂部和側(cè)面透視結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。其中，利用假色突出了電極（金色）和微執(zhí)行器（藍(lán)色）；F）用顏色顯示應(yīng)變的大小，表示有限元建模的結(jié)果。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，MEMS技術(shù)在生物技術(shù)和高級(jí)工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，由于它們?cè)诟黝愋屡d系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，MEMS領(lǐng)域?qū)Σ牧峡茖W(xué)和工程的研究興趣不斷增長(zhǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞機(jī)械生物學(xué)、高精度質(zhì)量傳感、微流控和能量收集等領(lǐng)域的應(yīng)用。廣泛可期的應(yīng)用還包括構(gòu)建精確感應(yīng)MEMS、模仿機(jī)械生物學(xué)原理的組織支架，以及支持寬帶寬上運(yùn)行的能量收集應(yīng)用等。目前，這類器件（微傳感器和MEMS）的制造借鑒了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制造方法，例如2D光刻蝕，具有平面配置的機(jī)械和電子元件。

將2D MEMS器件擴(kuò)展到3D結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為非?；钴S的研究領(lǐng)域。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，在BioMEMS（生物MEMS）、調(diào)制器和RF（射頻）開關(guān)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中至關(guān)重要。薄膜壓電材料目前是制作執(zhí)行器的基礎(chǔ)，以在微小的驅(qū)動(dòng)電壓下，以緊湊/輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速的切換。微尺度機(jī)械工程當(dāng)前的研究焦點(diǎn)，是將這種壓電元件轉(zhuǎn)移到復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)中。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，在最近的一項(xiàng)研究中，Xin Ning及其研究伙伴介紹了一種異構(gòu)材料的誘導(dǎo)裝配和集成策略，以形成復(fù)雜的3D微尺度機(jī)械結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究結(jié)合了多個(gè)獨(dú)立的壓電薄膜執(zhí)行器，用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)激勵(lì)和精確控制。為了實(shí)現(xiàn)從2D到3D的轉(zhuǎn)變，他們將轉(zhuǎn)印作為一種材料集成方案，與結(jié)構(gòu)屈曲相結(jié)合。其在平面或曲面上獲得的設(shè)計(jì)結(jié)果，包括從簡(jiǎn)單的對(duì)稱版圖到復(fù)雜的分層配置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究系統(tǒng)地揭示了選擇性激發(fā)目標(biāo)振動(dòng)模式的基本特征和性能，這些模式可以同時(shí)測(cè)量流體的粘度和密度。這為該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大潛力。該研究成果已發(fā)表于Science Advances，可作為一種非常規(guī)的機(jī)械活動(dòng)3D微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，具有廣泛的先進(jìn)應(yīng)用。

科學(xué)家們采用了最先進(jìn)的轉(zhuǎn)印方法，將超薄壓電薄膜和韌性金屬整合到聚合物層中，這些聚合物層經(jīng)過(guò)光刻形成2D幾何形狀。受控機(jī)械屈曲將這些2D多功能材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻鞔_定義的3D架構(gòu)。首先使用有限元分析（FEA）對(duì)三維機(jī)械響應(yīng)進(jìn)行建模，以選擇結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蛨?zhí)行器位置，以進(jìn)行具有位移和分布的受控動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。在這項(xiàng)研究中，作者從形成2D前體結(jié)構(gòu)開始，設(shè)計(jì)并組裝了這款3D機(jī)械活動(dòng)微結(jié)構(gòu)。該方法通過(guò)微加工和轉(zhuǎn)印工藝，集成了多種功能材料。該系統(tǒng)包括光固化環(huán)氧樹脂框架，具有作為機(jī)械執(zhí)行器的PZT（鋯鈦酸鉛）圖案化薄膜，以及作為電極和電氣互聯(lián)的金（Au）。除了選定區(qū)域，系統(tǒng)采用聚酰亞胺（PI）層進(jìn)行封裝。這些選定區(qū)域?qū)?D結(jié)構(gòu)與下面的彈性體結(jié)構(gòu)結(jié)合，作為電探測(cè)的接觸部位。研究人員使用機(jī)械引導(dǎo)的壓縮屈曲過(guò)程，通過(guò)釋放下方彈性基底中的預(yù)應(yīng)變，將2D前體轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的3D結(jié)構(gòu)。光學(xué)和SEM圖像詳細(xì)說(shuō)明了五個(gè)獨(dú)立PZT執(zhí)行器的位置：一個(gè)位于結(jié)構(gòu)中心，其它四個(gè)分布在支撐腿上。

通過(guò)結(jié)構(gòu)屈曲組裝3D機(jī)械活動(dòng)微結(jié)構(gòu)

在該研究中進(jìn)行的定量FEA，用于優(yōu)化PZT和金屬層的位置，確保壓縮屈曲過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性。預(yù)測(cè)的3D轉(zhuǎn)變過(guò)程與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致。該研究中開發(fā)的用于制造活動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方案，可實(shí)現(xiàn)各種獨(dú)特的3D微尺度架構(gòu)。

復(fù)雜幾何版圖的改變，能夠形成獨(dú)特的3D微尺度架構(gòu)。這種微架構(gòu)包括復(fù)雜的幾何形狀，類似于帶有翅膀和四條腿的昆蟲。這些幾何形狀都是通過(guò)FEA計(jì)算出來(lái)的，并與實(shí)驗(yàn)觀察非常匹配，證明了微加工工藝的精度。

上圖展示了具有集成PZT微執(zhí)行器的多種微架構(gòu)。A）由兩個(gè)PZT微執(zhí)行器形成的橋結(jié)構(gòu)；B）翅膀上帶有一對(duì)執(zhí)行器的飛行結(jié)構(gòu)；C）具有三個(gè)執(zhí)行器的傾斜金字塔桁架結(jié)構(gòu)；D）四腿桌面結(jié)構(gòu)，每條腿上有一個(gè)執(zhí)行器。

在該研究中設(shè)計(jì)的所有幾何形狀，都觀察研究了它們由PZT微執(zhí)行器激勵(lì)的3D微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)行為。這些PZT微執(zhí)行器被策略性地放置在3D幾何形狀中所需要的區(qū)域，以控制3D結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為和共振模式。

策略放置的PZT微執(zhí)行器激發(fā)的3D幾何形狀的振動(dòng)模式

醫(yī)療和工業(yè)流體領(lǐng)域的潛在應(yīng)用該研究中創(chuàng)建的3D設(shè)計(jì)策略，為微結(jié)構(gòu)引入了兩種本質(zhì)上不同且分離良好的共振模式。這些共振頻率能夠?qū)⒄扯群土黧w密度的靈敏度分離為兩個(gè)單獨(dú)的可測(cè)量量。該研究中優(yōu)化的3D微結(jié)構(gòu)，能夠分別測(cè)量各種牛頓流體的粘度和密度。這與傳統(tǒng)的2D諧振器形成對(duì)比，傳統(tǒng)的2D諧振器以耦合的方式對(duì)流體的粘度和密度參數(shù)都很敏感，因此不能精確地區(qū)分這兩個(gè)參數(shù)。通常，為了精確測(cè)量高粘度流體的高頻振動(dòng)和質(zhì)量因子，需要使用多普勒振動(dòng)計(jì)或精確校準(zhǔn)的應(yīng)變傳感器等復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，并且會(huì)帶來(lái)與之相伴的挑戰(zhàn)。而這款3D微結(jié)構(gòu)提供了一種高精度的更簡(jiǎn)單的方法。這款3D結(jié)構(gòu)的整合測(cè)量能力，表明它們?cè)谘芯酷t(yī)療保健和工業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜流體方面，具有廣泛的實(shí)用性。由于它們的適應(yīng)性，這些3D結(jié)構(gòu)可以作為內(nèi)置傳感器集成到醫(yī)療器械的表面。例如，作者建議將這種3D微結(jié)構(gòu)整合到心血管支架上，以精確測(cè)量支架環(huán)境中的血流動(dòng)力學(xué)。

上圖展示了將3D結(jié)構(gòu)集成到生物醫(yī)學(xué)器械，A）具有對(duì)應(yīng)管1、2和3三個(gè)微結(jié)構(gòu)的心血管支架；B）該3D微結(jié)構(gòu)可以隨支架變形，穩(wěn)定黏附適合于體內(nèi)血液動(dòng)力學(xué)測(cè)量

本研究展示了將功能強(qiáng)大的高性能壓電材料集成到復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了具有主動(dòng)活動(dòng)、高精度和可編程功能的特殊材料。研究中集成材料的普遍易得，可以促進(jìn)3D MEMS及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為多學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)傳感應(yīng)用提供支持。