基于3D打印技術(shù)的MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件，例如MEMS加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子和生物醫(yī)療等行業(yè)。利用半導(dǎo)體制造技術(shù)可有效地大批量生產(chǎn)MEMS器件，但對(duì)于具有成本效益的專用MEMS器件的中小批量生產(chǎn)，該技術(shù)不甚理想。而MEMS器件的3D打印技術(shù)卻可實(shí)現(xiàn)中小規(guī)模的MEMS器件的高效生產(chǎn)。然而，當(dāng)前的微型3D打印技術(shù)在打印功能性MEMS器件方面的能力非常有限。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）聯(lián)合瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology）開發(fā)出一款3D打印的功能性MEMS加速度計(jì)。研究人員使用基于雙光子聚合的3D打印技術(shù)制作微結(jié)構(gòu)，并通過金屬蒸發(fā)沉積應(yīng)變敏感元件，并對(duì)MEMS加速度計(jì)隨時(shí)間推移表現(xiàn)出的響應(yīng)度、諧振頻率和穩(wěn)定性進(jìn)行了表征。結(jié)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(shí)現(xiàn)各種MEMS器件的定制設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)MEMS制造難以或無法解決的新應(yīng)用領(lǐng)域問題。

為了證明3D打印的功能性MEMS加速度計(jì)的實(shí)際可行性，研究人員設(shè)計(jì)了一種可通過雙光子聚合進(jìn)行3D打印的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)行定向金屬沉積步驟，以形成應(yīng)變敏感元件、電氣互連和探測(cè)電極（下圖a）。

3D打印的MEMS加速度計(jì)

這款新開發(fā)的MEMS加速度計(jì)的工作原理類似于標(biāo)準(zhǔn)壓阻式MEMS加速度計(jì)，即在垂直于基板表面的方向上、在一定質(zhì)量材料上施加外部加速度，從而產(chǎn)生導(dǎo)致懸臂彎曲的力（依據(jù)牛頓第二定律：F?=?m*a，F(xiàn)表示力，m表示質(zhì)量，a表示加速度）。懸臂的彎曲導(dǎo)致其頂部的金屬電阻應(yīng)變儀（敏感元件）應(yīng)變以及應(yīng)變儀電阻的相關(guān)變化。該應(yīng)變儀電阻變化與感應(yīng)應(yīng)變相關(guān)，最終與施加的加速度相關(guān)。

為了表征3D打印的MEMS加速度計(jì)的性能，研究人員制造了三個(gè)設(shè)計(jì)相同的器件，并測(cè)量它們隨時(shí)間推移表現(xiàn)出的諧振頻率、響應(yīng)度和響應(yīng)穩(wěn)定性。為此，研究人員使用了一個(gè)由壓電振動(dòng)器和激光多普勒測(cè)振儀（LDV）組成的裝置，其被連接在一個(gè)鎖定放大器上。該鎖定放大器以所需頻率驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)器，同時(shí)解調(diào)來自激光多普勒測(cè)振儀的信號(hào)，該信號(hào)與質(zhì)量塊的機(jī)械振蕩幅度和電阻應(yīng)變計(jì)敏感元件在同一頻率下的輸出幅度相關(guān)。在研究人員校準(zhǔn)了壓電振動(dòng)器后，表征了該MEMS加速度計(jì)在其共振頻率下的機(jī)械響應(yīng)。

MEMS加速度計(jì)的機(jī)械表征

測(cè)量設(shè)置和壓電振動(dòng)器校準(zhǔn)

在這項(xiàng)工作中，研究人員展示了使用微型3D打印技術(shù)和定向金屬沉積步驟制造三個(gè)功能齊全的MEMS加速度計(jì)的工藝過程。單顆MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的3D打印包括顯影和紫外線（UV）泛曝光，耗時(shí)1小時(shí)45分鐘（沒有進(jìn)行優(yōu)化以獲得最短的打印時(shí)間），金屬蒸發(fā)沉積耗時(shí)40?分鐘，其中30?分鐘用于設(shè)備抽真空。因此，制造單顆MEMS加速度計(jì)所需的總時(shí)間不到2.5小時(shí)，只需要雙光子聚合3D打印機(jī)和金屬蒸發(fā)器，無需潔凈室。

此外，在制造一批多個(gè)MEMS器件時(shí)，可以在多個(gè)設(shè)備上并行執(zhí)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(jì)所需的制造時(shí)間。雖然與其它3D打印技術(shù)相比，雙光子聚合3D打印機(jī)的獲取和操作成本仍然相對(duì)較高，但隨著對(duì)平行光束和更敏感的光聚合物的研究顯示出可喜結(jié)果，該類型的3D打印機(jī)的生產(chǎn)力預(yù)計(jì)將在未來幾年內(nèi)提高。

此次研究結(jié)果表明，3D打印的功能性MEMS加速度計(jì)實(shí)際上是可行的，并且有望實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于各種MEMS器件的潛力，例如壓力傳感器、麥克風(fēng)、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(fù)雜的創(chuàng)新型幾何結(jié)構(gòu)，這是目前使用傳統(tǒng)的2.5D硅微加工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。研究人員通過將雙光子聚合與定向材料沉積相結(jié)合，來選擇性地對(duì)3D打印MEMS結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行功能化的方案是通用的，這有助于創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和制造之間的快速轉(zhuǎn)換使研究人員能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)評(píng)估器件性能并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。從產(chǎn)業(yè)角度來看，這顯著降低了為中小型應(yīng)用制造新型定制MEMS器件的啟動(dòng)成本，而使用標(biāo)準(zhǔn)的微加工技術(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)的廣泛有前景的創(chuàng)新，促進(jìn)了MEMS全新的3D設(shè)計(jì)和制造范式，這對(duì)未來在機(jī)器人、航空航天和醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有很大的前景。

審核編輯：郭婷