MEMS 3D打印技术经常面临各种挑战

据麦姆斯咨询报道，波兰西里西亚工业大学（Silesian University of Technology）的Tomasz Blachowicz和德国比勒费尔德应用科学大学（Bielefeld University of Applied Sciences）的Andrea Ehrmann近期在Micromachines发表了他们的研究成果，题为“3D Printed MEMS Technology—Recent Developments and Applications”

微电子机械系统（MEMS）已广泛用于现代各类电子应用，无论是在医学、测量、微流控，还是在物联网等各领域中，均可以看到它的身影。MEMS元件常用作微型传感器或执行器，通常由硅制成；近年来使用聚合物制成的MEMS器件也比较常见。典型的硅基MEMS器件有：压力传感器、陀螺仪、加速度计、MEMS麦克风、喷墨打印头等。

与单纯的微电子学相比，MEMS制造的标准化程度相对较低，较难引入新的器件结构；但是如果将MEMS技术与3D打印相结合，就可在某些领域中更轻松地制造新器件结构，从而为新应用输入“新鲜血液”。研究者指出，MEMS 3D打印技术经常面临各种挑战，但近期许多技术发展可能将受益于3D打印的最大优势——更高的生产效率以及更大的经济效益。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（尼龙）或聚碳酸酯。

“尽管3D打印为MEMS技术的施展提供了更大的自由，但只有平均不到1%的3D打印相关研究集中在MEMS技术上。”研究人员表示，“这与MEMS制造中3D打印技术的潜在优势形成了鲜明反差，特别是3D打印还可避免因各向异性蚀刻图案未对准而导致的3D结构欠蚀刻的相关问题。”

“可以预期，3D打印方法允许以所需的方式剪裁3D形状，从而通过适当调整工艺参数，使器件结构更可靠。”

然而，该技术也存在一些挑战，比如分辨率、热收缩等参数的范围有限。

典型3D打印技术介绍

Blachowicz和Ehrmann在论文中介绍了2013年Leary等人开发的用于器官芯片和3D打印微流控器件的MEMS通道的研究。不久之后，Lifton等人开始探索在微流控和芯片实验室领域的3D打印技术，并且比较了制造MEMS器件的各类技术。除了在毒性和生物相容性方面需要对材料进行精心筛选，作者还讨论了关于技术的选择，如光刻、双光子与多光子聚合、喷墨3D打印、金属增材制造工艺以及组合与融合技术。
 

将3D打印与拾取和放置功能结合，可制造用于声波流体粒子操纵的3D MEMS器件。（图片来源：英国皇家化学学会）

3D打印应用于MEMS传感器和执行器

3D打印也可用于各类不同的传感器和执行器，如化学传感器，物理传感器，开关和振动执行器等。

（a）图为3D打印的MEMS开关概念图，当在固定的底部电极上施加电压时，由于静电作用，在悬浮电极上将产生下拉力；（b）图为3D打印的工艺步骤。（图片来源：美国化学学会）

在航空航天应用中，研究者探索使用MEMS介电弹性体执行器（dielectric elastomer actuators）与3D打印机翼骨架相结合。当使用MEMS介电弹性体执行器时，由于其有潜力拥有更大的承载能力、更高的工作密度以及高频工作的能力，可利用仿真来优化机翼。

图为微型飞行器的概念设计，由MEMS技术与3D打印相结合制造而成

Khandekar等其他研究者使用陶瓷聚合物复合材料为微型卫星的微推进器3D打印了相关部件。

“大约20年前，首次出现了3D打印MEMS器件的想法，并在结合这些技术方面取得了很大进展。尤其对于微流控系统和一些MEMS传感器和执行器而言，如今已可通过各种3D打印技术来实现。”研究者在文中总结道。

“如双光子聚合技术等新增材制造技术，可制备尺寸小于1 µm的最小器件特征。而对于更成熟的3D打印技术来说，出现了如何缩小最小特征尺寸的新思路，从而使3D打印越来越符合MEMS制造的要求。”