面向柔性MEMS器件的单片硅微机械超构结构
2026-09-06 16:09:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

机械超构结构在人工材料中赋予了独特且可编程的力学性能，在能量收集、能量吸收、传感以及生物医疗等应用领域吸引了广泛关注。尽管已有研究基于金属、聚合物和陶瓷等材料实现了机械超构结构，但受限于单晶硅（Si）衬底上的精密三维制造技术，在微尺度下利用单晶硅制备机械超构结构的尝试尚未见报道。通过机械超构结构设计主动调控硅微结构的力学性能，为硅基机械超构结构和微芯片实现更丰富的功能提供了新的可能。

据麦姆斯咨询报道，近期，丹麦技术大学开发了一套系统化的制备与表征策略，用于预测、实现并评估单片硅微机械超构结构（Si µMMs）的力学性能，并将其集成到柔性MEMS器件中，证明该方案在柔性可穿戴MEMS器件中具有潜在的应用价值。相关研究成果以“Monolithic silicon micromechanical metastructures for compliant MEMS devices”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

论文摘要附图

制造策略

研究人员首先介绍了用于制备独立硅微机械超构结构及混合结构的独特工程技术，并对比研究了菱形、半圆形、反四手性（ATC）、内凹（REE）和双稳态（BIS）型晶格设计。ATC型凭借其负泊松比（NPR）和吸能能力等优异力学性能，成为研究重点。最后，研究人员对“微机械超构结构/PDMS混合结构”（后文简称：混合结构）的力学和电学性能进行了表征，以探索其在柔性可穿戴MEMS器件中的潜在应用。

图1a展示了在单片硅衬底上构建微机械超构结构的工艺流程，其中给出了ATC型单元胞的设计方案。具体流程包含以下步骤：

1、在晶圆尺度上通过紫外光刻对微机械超构结构图案化，其分辨率极限约为1 µm。

2、随后采用各向异性深反应离子刻蚀（DRIE）工艺将微机械超构结构图案转移至硅衬底。此处采用沉积-去除-刻蚀复合（DREM）工艺以获得光滑的侧壁表面和垂直的结构轮廓。

3、为释放微机械超构结构区域的硅结构，采用各向同性刻蚀工艺实现完全底切，同时设计了尺寸更大的锚状结构，使其仍附着在衬底上。整个微机械超构结构处于悬浮状态，但由锚点支撑。通过调整刻蚀参数，可精确控制微机械超构结构的高度以及微机械超构结构与衬底之间的间隙。随后利用氧等离子体去除光刻胶残留，使该原型仅由单晶硅构成。

4、在封装进PDMS之前，微机械超构结构原型通过全氟癸基三氯硅烷（FDTS）进行涂覆，以降低硅与PDMS之间的粘附力。随后，将制备好的PDMS混合物浇铸在晶圆上，并进行热固化处理。

5、PDMS固化后，通过机械方式剥离该混合结构，而锚点则保留在衬底表面。为验证微机械超构结构已完全嵌入PDMS内部，采用原子力显微镜（AFM）对PDMS膜底部的表面形貌进行成像，结果表明微机械超构结构被PDMS完全覆盖。

图1 独立硅微机械超构结构及混合结构的制备

独立硅微机械超构结构

上述结果证明了硅微机械超构结构可通过晶圆级制造，其空间分辨率可达1.5 µm。此外，该研究建立了一套可靠的制造工艺，可将硅微机械超构结构转移至聚合物基底中，有望成为柔性MEMS器件的可靠技术平台。

图2 ATC型硅微机械超构结构的可调谐力学性能

研究人员通过合理设计硅微机械超构结构单元胞的几何结构，实现了-0.25～-1.0的负泊松比，20%的最大拉伸与压缩应变，以及5～13 MPa的有效杨氏模量，相比体硅降低4个数量级，模量接近人体皮肤。因此，该硅微机械超构结构有望贴合皮肤表面应用于可穿戴设备。

图3 复杂边界系统中的ATC型硅微机械超构结构

由于其优异的负泊松比特性，ATC型硅微机械超构结构作为吸能材料具有巨大潜力，可保护器件免受机械变形或断裂。通过所提出的制备方法，硅微机械超构结构可灵活制备并实现定制化边界条件，还能同时施加不同载荷以模拟不同变形过程。考虑到ATC型晶格的低密度，研究人员认为硅微机械超构结构在MEMS器件中的超轻抗振结构方面具有巨大的开发潜力。

混合结构

在证实独立硅微机械超构结构具有优异的力学性能（包括低有效弹性模量、负泊松比以及形状可恢复性）后，研究人员进一步探究了将硅微机械超构结构用于柔性MEMS器件的潜力。由于独立硅微机械超构结构质地脆弱且难以直接操作，因此将其嵌入柔顺性、生物相容性良好且力学性能可靠的PDMS薄膜中。实验证明了PDMS封装的硅微机械超构结构在机械变形下可作为导电衬底，这是柔性MEMS器件需要的理想特性。

为了展示混合结构的多功能性，研究人员为硅微机械超构结构选择了三种不同的晶格类型，并对比了所制备混合结构的力学行为差异。BIS型、REE型和ATC型硅微机械超构结构的拉伸应力分别约为1.29 MPa、4.59 MPa和0.42 MPa，表明ATC型设计的柔顺性最佳，因此更适用于柔性混合结构。

图4 具有不同晶格设计的混合结构的力学性能

在柔性MEMS应用中，研究人员成功将大面积硅微机械超构结构（5 mm × 2.5 mm）转移并封装到PDMS薄膜中，构建了“微机械超构结构/PDMS混合结构”，基于ATC单元胞的结构展现出柔顺的力学性能，有效杨氏模量最低可达0.42 MPa。这种嵌入式微机械超构结构在20%的拉伸应变作用下仍保持导电性，表明其在柔性可穿戴MEMS器件中具有潜在应用价值。

此外，超构结构设计还可提供广阔的可编程力学性能。由于硅微机械超构结构以晶圆级、CMOS兼容工艺制备，并且混合结构也实现了晶圆级制备，该技术预计能够适用芯片制造与医疗器械领域的规模化应用。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01414-x

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