都灵理工大学研究人员利用3D打印技术开发出高灵敏度的NEMS谐振器设备

2021年10月26日，南极熊获悉，来自都灵理工大学和耶路撒冷希伯来大学的研究人员利用3D打印技术使纳米机电系统（NEMS）的性能达到了新的水平。

传统的基于半导体的NEMS设备生产通常涉及一个高度复杂、多步骤和昂贵的制造过程。虽然已经试用了丝网印刷、热压印、微注塑、甚至3D打印等替代方法，但它们通常仅限于微观范围（MEMS），并只能提供相对低性能的产品。

近日，来自两所大学的联合研究小组在高性能NEMS设备制造上取得突破。他们利用双光子聚合——一种高精度的SLA方法，来3D打印刚性的NEMS谐振器，所制产品性能与硅基谐振器相当。这项工作为半导体谐振器替代品提供了一个可行的、低成本的方案，有望为高灵敏度质量和力传感器等应用铺设一条新的道路。

△热处理前后的3D打印NEMS谐振器。图片来源：都灵理工大学/耶路撒冷希伯来大学。

不断微型化的世界

自从数字时代开始以来，我们已经将大量的资源投入到电气和电子设备的小型化中，以使它们更轻，更便携，更容易储存。这适用于智能手机等消费类电子产品，但也适用于传感设备等更加面向工业的系统。就后者而言，小型化实际上也属于性能评判的一个直接组成因素。

具体到高性能的质量和力检测，这些类型的传感器的灵敏度下限由两个因素决定：微小的谐振器质量和高质量因子'Q'。

小质量允许小的扰动引起大的谐振频率，而高质量因子Q意味着能量在谐振模式中保留更长的时间，抑制较小频率波动的影响，否则会掩盖较大扰动的真实值。总而言之，这两个因素使得传感器更加精确。

△该团队利用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D打印机的2PP功能。照片来自Nanoscribe。

NEMS的双光子聚合技术

不幸的是，在纳米级传感设备中实现低质量和高Q值，历来需要昂贵和高度复杂的制造方法，这往往也导致了低制造产量。为了挑战这一点，研究小组采用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D打印机和一种专门开发的金属盐液体墨水。

在用墨水打印NEMS谐振器结构后，研究小组在一个管式炉中加热样品数小时，以去除有机成分并增加金属前体的密度，最终获得了一套具有高杨氏模量和低阻尼特性的刚性陶瓷结构。

研究小组报告说，他们的3D打印NEMS谐振器提供了高达15,000的质量系数和450zg的微小质量敏感度，这确实与传统硅基NEMS谐振器的性能一致。

该研究的进一步细节可在题为 "用3D打印的纳米机械谐振器达到硅基NEMS性能/Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printednanomechanical resonators" 的论文中找到。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26353-1

△原料制备、3D打印和热处理NEMS谐振器流程。图片来源：都灵理工大学/耶路撒冷希伯来大学。

传感元件的3D打印是近来增材制造领域中一个不断发展的应用。上个月，华盛顿州立大学（WSU）和DL ADV-Tech公司的工程师们开发了一种3D打印传感器，能够检测出接触除草剂草甘膦的情况，这种除草剂被认为是致癌的。这些3D打印的传感器被集成到一个测试套件中，成本低，不需要特殊的存储，使它们成为测量有害化学物质暴露的理想工具。

在其他地方，圣克拉拉大学的研究人员最近使用3D打印技术建造了一个升级版的农业灌溉系统中部署的水化感应装置。通过重新设计和3D打印这些传感器的部分，工程师们能够改善其热检测能力，并缩小其整体尺寸。