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

3D打印科研前沿
2021
10/26
21:58
分享
评论
本帖最后由 warrior熊 于 2021-10-26 21:59 编辑

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。

1.png
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。

2.jpg
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。


屏幕截图 2021-10-26 215221.jpg
3.png
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。


上一篇:哈佛大学医学院《Adv Mater.》:数字光处理3D生物打印可调控梯度结构
下一篇:3D打印非磁性粉末可赋予材料梯度磁性能
回复

使用道具 举报

2021-10-27 08:39:53 | 显示全部楼层
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。
回复 支持 反对

使用道具 举报

推动3D打印

关注南极熊

下载手机APP

联系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南极熊3D打印网

致力于推动3D打印产业发展

快速回复 返回列表 返回顶部