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3D打印MEMS技术的最新研究进展及应用
2020-07-04 08:58:09   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

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”。

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”,文章链接为:https://doi.org/10.3390/mi11040434。

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。

3D打印MEMS技术存在的挑战

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

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。

3D打印的MEMS开关

(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

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。”

延伸阅读:

《3D打印电子和电路原型制作-2019版》

《模内电子(IME)技术及市场-2019版》

《柔性电子、印刷电子和有机电子-2019版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2020版》 

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