微機電系統（MEMS）器件，例如MEMS加速度計，廣泛應用于汽車電子、消費電子和生物醫療等行業。利用半導體制造技術可有效地大批量生產MEMS器件，但對于具有成本效益的專用MEMS器件的中小批量生產，該技術不甚理想。而MEMS器件的3D打印技術卻可實現中小規模的MEMS器件的高效生產。然而，當前的微型3D打印技術在打印功能性MEMS器件方面的能力非常有限。
據麥姆斯咨詢報道，為此，瑞士洛桑聯邦理工學院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）聯合瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）開發出一款3D打印的功能性MEMS加速度計。研究人員使用基于雙光子聚合的3D打印技術制作微結構，并通過金屬蒸發沉積應變敏感元件，并對MEMS加速度計隨時間推移表現出的響應度、諧振頻率和穩定性進行了表征。結果表明，功能性MEMS器件的3D打印是一種可行的方法，能夠有效地實現各種MEMS器件的定制設計，解決傳統MEMS制造難以或無法解決的新應用領域問題。
為了證明3D打印的功能性MEMS加速度計的實際可行性，研究人員設計了一種可通過雙光子聚合進行3D打印的加速度計結構，隨后進行定向金屬沉積步驟，以形成應變敏感元件、電氣互連和探測電極（下圖a）。
3D打印的MEMS加速度計
這款新開發的MEMS加速度計的工作原理類似于標準壓阻式MEMS加速度計，即在垂直于基板表面的方向上、在一定質量材料上施加外部加速度，從而產生導致懸臂彎曲的力（依據牛頓第二定律：F?=?m*a，F表示力，m表示質量，a表示加速度）。懸臂的彎曲導致其頂部的金屬電阻應變儀（敏感元件）應變以及應變儀電阻的相關變化。該應變儀電阻變化與感應應變相關，最終與施加的加速度相關。
為了表征3D打印的MEMS加速度計的性能，研究人員制造了三個設計相同的器件，并測量它們隨時間推移表現出的諧振頻率、響應度和響應穩定性。為此，研究人員使用了一個由壓電振動器和激光多普勒測振儀（LDV）組成的裝置，其被連接在一個鎖定放大器上。該鎖定放大器以所需頻率驅動壓電振動器，同時解調來自激光多普勒測振儀的信號，該信號與質量塊的機械振蕩幅度和電阻應變計敏感元件在同一頻率下的輸出幅度相關。在研究人員校準了壓電振動器后，表征了該MEMS加速度計在其共振頻率下的機械響應。
MEMS加速度計的機械表征
測量設置和壓電振動器校準
在這項工作中，研究人員展示了使用微型3D打印技術和定向金屬沉積步驟制造三個功能齊全的MEMS加速度計的工藝過程。單顆MEMS加速度計結構的3D打印包括顯影和紫外線（UV）泛曝光，耗時1小時45分鐘（沒有進行優化以獲得最短的打印時間），金屬蒸發沉積耗時40?分鐘，其中30?分鐘用于設備抽真空。因此，制造單顆MEMS加速度計所需的總時間不到2.5小時，只需要雙光子聚合3D打印機和金屬蒸發器，無需潔凈室。
此外，在制造一批多個MEMS器件時，可以在多個設備上并行執行部分工藝步驟，例如UV曝光和金屬沉積，從而大大減少單顆MEMS加速度計所需的制造時間。雖然與其它3D打印技術相比，雙光子聚合3D打印機的獲取和操作成本仍然相對較高，但隨著對平行光束和更敏感的光聚合物的研究顯示出可喜結果，該類型的3D打印機的生產力預計將在未來幾年內提高。
此次研究結果表明，3D打印的功能性MEMS加速度計實際上是可行的，并且有望實現具有競爭力的性能。研究人員提出的MEMS增材制造方法具有應用于各種MEMS器件的潛力，例如壓力傳感器、麥克風、陀螺儀和流量傳感器等。此外，3D打印將為新型MEMS器件提供復雜的創新型幾何結構，這是目前使用傳統的2.5D硅微加工技術無法實現的。研究人員通過將雙光子聚合與定向材料沉積相結合，來選擇性地對3D打印MEMS結構的表面進行功能化的方案是通用的，這有助于創新設計和各種換能器元件的集成，例如壓敏電阻器、壓電元件和納米線元件等。
重要的是，小批量3D打印MEMS的設計和制造之間的快速轉換使研究人員能夠在幾個小時內評估器件性能并對其進行優化。從產業角度來看，這顯著降低了為中小型應用制造新型定制MEMS器件的啟動成本，而使用標準的微加工技術制造這種器件的成本將令人望而卻步。因此，該功能性MEMS增材制造方法，以及該技術實現的廣泛有前景的創新，促進了MEMS全新的3D設計和制造范式，這對未來在機器人、航空航天和醫學等重要領域的研究和應用具有很大的前景。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00440-9
延伸閱讀：
《消費類MEMS慣性測量單元（IMU）產品對比分析-2022版》
《3D打印和增材制造技術及市場-2022版》
《3D電子及增材制造電子技術和市場-2022版》
