3D打印為小批量功能性MEMS加速度計設備，提供低成本解決方案
時間：2022-10-16 14:34 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2022年10月15日，KTH皇家理工學院的研究人員，開發了一種3D打印技術，用于專門制造功能性微機電系統(MEMS)。該方法提供了一種經濟高效的方式來制造定制MEMS，它們可用作機器人、導航等特殊領域的傳感器。
技術背景
盡管使用大規模半導體制造技術，可以高效地大批量生產MEMS，但由于制造工藝開發和設備設計優化的高啟動成本，中小批量制造MEMS組件具有一定挑戰性。領導該研究的Frank Niklaus教授表示，因此，工程師經常需要在非最理想的現成設備，或難以啟動的成本之間做出抉擇。
這種傳統的制造工藝，最大的問題是“制造工藝開發和設備設計優化的成本，不會因小批量而降低，”他說。
3D打印加速度計
該團隊使用雙光子聚合（TPP，用于制造具有亞微米特征尺寸的3D微結構）結合金屬蒸發工藝，以形成應變計傳感器，展示了一種3D打印的功能性MEMS加速度計。它表征了加速度計隨時間變化的響應度、共振頻率和穩定性，經過測試，已確認該技術的可行性。結果表明，3D 打印方法可以有效地制造，各種定制設計的MEMS設備。
雙光子聚合過程，產生了小至幾百納米，但無法感知的高分辨率物體。為了形成轉換元件，研究人員使用了一種類似于模板的遮蔽技術。在3D打印結構上，研究人員制造了具有T形橫截面的特征，它的功能就像一把雨傘。當他們從3D打印結構上方的某個點沉積金屬時，受這種“保護傘”保護的T形特征的側面并沒有被涂敷金屬。因此，T頂部的金屬與結構的其余部分形成了電隔離。
使用這種方法，研究人員使用商業3D打印設備，在短短幾個小時內制造了大約12個定制設計的MEMS加速度計。這種3D打印方法可用于MEMS設備的原型制作，并以更為經濟的方式，每年可以制造數千至數萬個MEMS傳感器。Niklaus說：“這是迄今為止最不可思議的事情，因為，使用傳統半導體技術制造MEMS產品的啟動成本，通常約為數十萬美元，而且交貨時間為幾個月或更長時間。但是，3D打印不僅提供了新功能和更快的交貨時間，它未來很有可能 ，將改變MEMS和傳感器制造的游戲規則。”
該方法可用于制造那些，需要定制的特殊設備，包括飛機的加速度計，以及工業機械的振動傳感器。它還可以應用于各種MEMS傳感器，例如壓力傳感器、陀螺儀和流量傳感器。其它可以從該技術中受益的小批量產品，包括用于機器人、工業工具和風力渦輪機的運動和振動控制單元等。
3D打印的優勢
此外，3D打印可以為新的MEMS傳感器，實現復雜的器件幾何形狀，而目前使用傳統的硅微加工無法實現。研究人員通過將遮蔽元件，與定向材料沉積相結合來，選擇性地功能化3D打印MEMS結構的表面的這種思路是通用的，這樣的好處是，有利于創新設計和集成各種傳感器。
小批量3D打印MEMS加速器的設計和驚人的交貨時間，使得研究人員能夠在幾個小時內評估設備的性能，并對它的功能進行優化。據研究人員稱，從工業角度來看，與傳統微制造技術相比，這可以顯著降低，制造用于中小批量定制MEMS設備的啟動成本。
Niklaus說：“3D打印技術的可擴展性不僅僅是MEMS的生產優勢，這種方法還可以制造多種新的定制設備。”
△在硬幣旁邊可以看到一個3D打印的MEMS單元。 采用基于光子學的3D打印方法，可以實現經濟高效的生產方式，將傳感器集成到機器人、導航和其它應用場景中。開發團隊創建的第一個傳感器類型是加速度計。它使用雙光子聚合工藝與金屬蒸發相結合，形成應變計傳感器來制造傳感器
技術背景
盡管使用大規模半導體制造技術，可以高效地大批量生產MEMS，但由于制造工藝開發和設備設計優化的高啟動成本，中小批量制造MEMS組件具有一定挑戰性。領導該研究的Frank Niklaus教授表示，因此，工程師經常需要在非最理想的現成設備，或難以啟動的成本之間做出抉擇。
這種傳統的制造工藝，最大的問題是“制造工藝開發和設備設計優化的成本，不會因小批量而降低，”他說。
△a 3D打印的加速度計結構的SEM圖像。 b 金屬蒸發前懸臂截面的3D示意圖。c 金屬蒸發后懸臂截面的3D示意圖，顯示了使電阻電氣隔離的陰影屏蔽機制。在SEM圖像中顯示的結構被涂上了一層薄薄的濺射金鈀層，以改善SEM圖像的質量
3D打印加速度計
該團隊使用雙光子聚合（TPP，用于制造具有亞微米特征尺寸的3D微結構）結合金屬蒸發工藝，以形成應變計傳感器，展示了一種3D打印的功能性MEMS加速度計。它表征了加速度計隨時間變化的響應度、共振頻率和穩定性，經過測試，已確認該技術的可行性。結果表明，3D 打印方法可以有效地制造，各種定制設計的MEMS設備。
雙光子聚合過程，產生了小至幾百納米，但無法感知的高分辨率物體。為了形成轉換元件，研究人員使用了一種類似于模板的遮蔽技術。在3D打印結構上，研究人員制造了具有T形橫截面的特征，它的功能就像一把雨傘。當他們從3D打印結構上方的某個點沉積金屬時，受這種“保護傘”保護的T形特征的側面并沒有被涂敷金屬。因此，T頂部的金屬與結構的其余部分形成了電隔離。
△電氣特性：(a)中的加速度計1、(b)中的加速度計2和(c)中的加速度計3在不同頻率和壓電開關的驅動電壓下測量的相對電阻變化（ΔR/R）。共振頻率的明顯移動歸因于大振蕩幅度下聚合物的溫度增加。
d 應變儀傳感器的相對電阻變化作為應用于MEMS加速度計的加速度的函數，計算出非共振
使用這種方法，研究人員使用商業3D打印設備，在短短幾個小時內制造了大約12個定制設計的MEMS加速度計。這種3D打印方法可用于MEMS設備的原型制作，并以更為經濟的方式，每年可以制造數千至數萬個MEMS傳感器。Niklaus說：“這是迄今為止最不可思議的事情，因為，使用傳統半導體技術制造MEMS產品的啟動成本，通常約為數十萬美元，而且交貨時間為幾個月或更長時間。但是，3D打印不僅提供了新功能和更快的交貨時間，它未來很有可能 ，將改變MEMS和傳感器制造的游戲規則。”
該方法可用于制造那些，需要定制的特殊設備，包括飛機的加速度計，以及工業機械的振動傳感器。它還可以應用于各種MEMS傳感器，例如壓力傳感器、陀螺儀和流量傳感器。其它可以從該技術中受益的小批量產品，包括用于機器人、工業工具和風力渦輪機的運動和振動控制單元等。
△該團隊的研究成果已發表Nature微系統與納米工程，題目為“微型3D打印功能的MEMS加速度計”（傳送門）
3D打印的優勢
此外，3D打印可以為新的MEMS傳感器，實現復雜的器件幾何形狀，而目前使用傳統的硅微加工無法實現。研究人員通過將遮蔽元件，與定向材料沉積相結合來，選擇性地功能化3D打印MEMS結構的表面的這種思路是通用的，這樣的好處是，有利于創新設計和集成各種傳感器。
小批量3D打印MEMS加速器的設計和驚人的交貨時間，使得研究人員能夠在幾個小時內評估設備的性能，并對它的功能進行優化。據研究人員稱，從工業角度來看，與傳統微制造技術相比，這可以顯著降低，制造用于中小批量定制MEMS設備的啟動成本。
Niklaus說：“3D打印技術的可擴展性不僅僅是MEMS的生產優勢，這種方法還可以制造多種新的定制設備。”
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