瑞典皇家理工学院的研究团队设计了一种低成本高收益的专用于制造微机电系统(MEMS)的3D打印技术，它克服了传统MEMS器件制造的局限性，有望实现定制化MEMS器件的经济高效生产。通过该系统能够小批量生产定制设计的MEMS设备，以用作微型机器人、智能导航、飞行器设计等领域的传感器。

 

       尽管通过大规模半导体制造技术可以高效地大批量生产MEMS器件，但由于制造工艺开发和器件设计优化的启动成本较高，使得中小型批量制造MEMS具有一定挑战性。因此，领导该研究的Frank Niklaus教授表示，工程师通常需要在非最优的现成MEMS设备和难以承受的启动成本之间做出抉择。而且传统的制造工艺开发和设备设计优化的成本不会因为小批量而降低。

 

图 一个3D打印的MEMS单元被放在一枚硬币旁边。

 

       该团队利用双光子聚合结合金属蒸发工艺制造了一种应变传感器，并展示了一种3D打印的功能性MEMS加速度计。它表征了加速度计随时间变化的响应度、谐振频率和稳定性。测试结果表明，这种3D打印方法可以有效地制造各种定制设计的MEMS器件。

 

       双光子聚合过程，产生了小至几百纳米，但无法感知的高分辨率物体。为了形成转换元件，研究人员使用了一种遮蔽技术，其工作原理类似于模板。在3D打印的结构上，研究人员制作了具有T型横截面的特征，它功能就像一把伞。当从3D打印结构上方的某个点沉积金属时，受到这种“保护伞”保护的T型特征的侧面没有被涂覆金属。因此，T顶部的金属与结构的其余部分绝缘。

 

       研究人员利用该方法，通过商业3D打印设备在短短几个小时内就制造了大约12个定制设计的MEMS加速度计。这种3D打印方法可以用于MEMS器件的原型制作，并以更加经济的方式每年生产数千万个MEMS传感器。

 

       Niklaus强调，该方法突破了传统MEMS的生产极限，因为如果使用传统半导体技术来制造一款MEMS产品的成本在数十万美元左右，而且生产周期通常需要几个月甚至更长。但他们研发的新型3D打印技术不仅成本低，而且大大压缩了生产时间，在未来有望改变MEMS和传感器制造的游戏规则。

 

       该方法可以用于制造那些需要定制的昂贵设备，比如飞机加速度计和工业机械振动传感器。它还可以应用于各种MEMS传感器，比如压力传感器，陀螺仪和流量传感器等。其他可以从该技术中受益的小批量产品包括机器人、工业工具和风力涡轮机的运动和振动控制单元。

 

       此外，3D打印还可以为MEMS传感器实现复杂的几何形状，而且目前通过传统的硅微加工无法实现。研究人员通过将遮蔽元件，与定向材料沉积相结合来，选择性地功能化3D打印MEMS结构的表面的这种思路是通用的，促进了创新设计和各种传感器集成。

 

       3D打印大大缩短了MEMS器件设计和制造的间隔时间，使得研究人员能够在几个小时内评估设备的性能，并对其进行优化。据研究人员称，从工业角度来看，与传统维微纳制造技术相比，3D打印可以显著降低中小批量定制MEMS器件的启动成本。

 

       Niklaus 认为3D打印的可扩展性不仅仅是MEMS生产的优势，而且使其他类型的定制设备的制造成为可能。

 

       该研究被发表在Nature: Microsystems & Nanoengineering (www.doi.org/10.1038/s41378-022-00440-9)。

 

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