3D打印为小批量功能性MEMS加速度计设备，提供低成本解决方案

2022年10月15日，南极熊获悉，KTH皇家理工学院的研究人员，开发了一种3D打印技术，用于专门制造功能性微机电系统(MEMS)。该方法提供了一种经济高效的方式来制造定制MEMS，它们可用作机器人、导航等特殊领域的传感器。

△在硬币旁边可以看到一个3D打印的MEMS单元。  采用基于光子学的3D打印方法，可以实现经济高效的生产方式，将传感器集成到机器人、导航和其它应用场景中。开发团队创建的第一个传感器类型是加速度计。它使用双光子聚合工艺与金属蒸发相结合，形成应变计传感器来制造传感器

技术背景
尽管使用大规模半导体制造技术，可以高效地大批量生产MEMS，但由于制造工艺开发和设备设计优化的高启动成本，中小批量制造MEMS组件具有一定挑战性。领导该研究的Frank Niklaus教授表示，因此，工程师经常需要在非最理想的现成设备，或难以启动的成本之间做出抉择。

这种传统的制造工艺，最大的问题是“制造工艺开发和设备设计优化的成本，不会因小批量而降低，”他说。

△a 3D打印的加速度计结构的SEM图像。 b 金属蒸发前悬臂截面的3D示意图。c 金属蒸发后悬臂截面的3D示意图，显示了使电阻电气隔离的阴影屏蔽机制。在SEM图像中显示的结构被涂上了一层薄薄的溅射金钯层，以改善SEM图像的质量

3D打印加速度计
该团队使用双光子聚合（TPP，用于制造具有亚微米特征尺寸的3D微结构）结合金属蒸发工艺，以形成应变计传感器，展示了一种3D打印的功能性MEMS加速度计。它表征了加速度计随时间变化的响应度、共振频率和稳定性，经过测试，已确认该技术的可行性。结果表明，3D 打印方法可以有效地制造，各种定制设计的MEMS设备。

双光子聚合过程，产生了小至几百纳米，但无法感知的高分辨率物体。为了形成转换元件，研究人员使用了一种类似于模板的遮蔽技术。在3D打印结构上，研究人员制造了具有T形横截面的特征，它的功能就像一把雨伞。当他们从3D打印结构上方的某个点沉积金属时，受这种“保护伞”保护的T形特征的侧面并没有被涂敷金属。因此，T顶部的金属与结构的其余部分形成了电隔离。

△电气特性：(a)中的加速度计1、(b)中的加速度计2和(c)中的加速度计3在不同频率和压电开关的驱动电压下测量的相对电阻变化（ΔR/R）。共振频率的明显移动归因于大振荡幅度下聚合物的温度增加。 d 应变仪传感器的相对电阻变化作为应用于MEMS加速度计的加速度的函数，计算出非共振

使用这种方法，研究人员使用商业3D打印设备，在短短几个小时内制造了大约12个定制设计的MEMS加速度计。这种3D打印方法可用于MEMS设备的原型制作，并以更为经济的方式，每年可以制造数千至数万个MEMS传感器。

Niklaus说：“这是迄今为止最不可思议的事情，因为，使用传统半导体技术制造MEMS产品的启动成本，通常约为数十万美元，而且交货时间为几个月或更长时间。但是，3D打印不仅提供了新功能和更快的交货时间，它未来很有可能 ，将改变MEMS和传感器制造的游戏规则。”

该方法可用于制造那些，需要定制的特殊设备，包括飞机的加速度计，以及工业机械的振动传感器。它还可以应用于各种MEMS传感器，例如压力传感器、陀螺仪和流量传感器。其它可以从该技术中受益的小批量产品，包括用于机器人、工业工具和风力涡轮机的运动和振动控制单元等。

△该团队的研究成果已发表Nature微系统与纳米工程，题目为“微型3D打印功能的MEMS加速度计”（传送门）

3D打印的优势
此外，3D打印可以为新的MEMS传感器，实现复杂的器件几何形状，而目前使用传统的硅微加工无法实现。研究人员通过将遮蔽元件，与定向材料沉积相结合来，选择性地功能化3D打印MEMS结构的表面的这种思路是通用的，这样的好处是，有利于创新设计和集成各种传感器。

小批量3D打印MEMS加速器的设计和惊人的交货时间，使得研究人员能够在几个小时内评估设备的性能，并对它的功能进行优化。据研究人员称，从工业角度来看，与传统微制造技术相比，这可以显着降低，制造用于中小批量定制MEMS设备的启动成本。

Niklaus说：“3D打印技术的可扩展性不仅仅是MEMS的生产优势，这种方法还可以制造多种新的定制设备。”