北邮多家机构联合综述：3D 打印在微纳米器件制造中日益扩大的作用

2025年5月24日，南极熊获悉，北京邮电大学、中国电子科技集团公司第54研究所（CETC 54 ）、中山大学、深圳大学和电子科技大学的研究人员近期共同撰写了一篇新综述，探讨了3D打印在微电子和微流体应用方面的最新进展。

这篇发表在Springer Nature Link上的题为“3D printing of micro-nano devices and their applications”论文重点介绍了增材制造技术如何达到亚微米级精度，从而能够生产此前只能在传统洁净室中制造的设备。

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00812-3

双光子聚合 (2PP)、电流体动力喷射打印和计算轴向光刻 (CAL) 等高分辨率技术目前正被用于创建特征尺寸小至 100 纳米的结构。这些技术对生物医学传感器、柔性电子器件以及用于诊断和环境监测的微流体系统具有广泛的应用。

△3D打印在微电子和微流体器件制造中的应用概述。图片来自Springer Nature。

高精度增材工艺的分类

美国材料与试验协会(ASTM)定义的七种增材制造类别是现代 3D 打印工作流程的基础：粘合剂喷射、定向能量沉积 (DED)、材料挤出 (MEX)、材料喷射、粉末床熔合 (PBF)、片材层压 (SHL) 和大桶光聚合 (VP)。

其中，2PP 提供最精细的分辨率，可用于制造光通信元件和 MEMS 支撑结构的纳米级特征。基于喷墨的材料喷射和直接墨水书写 (DIW) 可实现导电或生物材料的图案化沉积，包括可拉伸凝胶和离子聚合物。粘合剂喷射技术通过将粘合剂喷涂到粉末状基材上进行操作，特别适用于使用金属或陶瓷且热应力最小的大体积结构。

熔融沉积成型是一种材料挤压技术，因其成本低且与热塑性塑料兼容而持续被广泛应用。尽管分辨率有限，但在软光刻技术中构建机械支撑或牺牲模具仍然十分实用。

△各种微尺度3D打印策略。图片来自Springer Nature。

微电子、MEMS 和传感领域的3D 打印

增材制造如今已广泛应用于制造微传感器、微机电系统 (MEMS) 执行器和柔性电子产品。与传统的光刻工艺相比，3D 打印减少了材料浪费，并且无需使用掩模版或蚀刻步骤。

在本综述中引用的一个示例中，柔性多向传感器使用定制的FDM平台直接打印在类似皮肤的基底上。另一个案例涉及通过2PP工艺生产微加速度计的悬臂支架，并通过蒸发涂覆导电材料。这些示例展示了增材制造技术如何制造具有高几何复杂度的支撑层和功能层。

采用增材制造方法制造的MEMS执行器通常将打印支架与传统的微加工技术相结合。例如，采用2PP打印的螺旋结构将液态金属容纳在电热执行器中。此外，还采用FDM打印MEMS开关，将导电PLA和聚乙烯醇结合作为牺牲层。然而，实现开关元件所需的机械精度仍然是实现完全集成应用的障碍。

△3D打印材料及制备方法。图片来自Springer Nature。

功能性油墨及复合材料的开发

微电子应用依赖于具有特定电气、机械或化学特性的可打印材料的可用性。基于 MXene 的导电油墨、金属颗粒悬浮液和压电复合材料正在优化，以用于 DIW、喷墨和光固化平台。

研究人员利用硫化镍油墨在氮掺杂的MXene上制备了平面非对称微型超级电容器。这些器件展现出更高的电压窗口（高达1.5 V）和更大的体积电容，满足紧凑型电源系统的需求。其他研究涉及具有离子导电性和高拉伸强度的复合水凝胶，可用于柔性生物传感应用。

PEDOT:PSS 是一种常见的导电聚合物，它通过冻干法和在光固化基质中的再分散，被配制成高分辨率墨水。这些配方可用于创建神经探针和柔性电路的电极阵列。多光子光刻技术也已应用于从有机半导体树脂打印复杂的 3D 结构。

生物电子应用正在推动对能够在潮湿和动态环境中可靠运行的生物相容性墨水的需求。一个研究小组将石墨烯纳米片和碳纳米管融入墨水中，进行多喷射融合，从而生产出具有高机械耐久性和信号灵敏度的压力传感器。

△通过将活性引发剂集成到打印材料中实现的3D打印电子产品。图片来自Springer Nature。

通过直接和间接方法制造的微流体装置

微流体系统传统上依赖于使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 的软光刻技术。如今，增材制造技术提供了替代方案，既可以通过直接打印流体芯片，也可以使用 3D 打印模具进行间接制造。

使用 SLA、DLP 或喷墨系统进行直接制造，可以快速制作集成储液器和通道的芯片原型。然而，要实现小于 100 微米的通道需要仔细校准。一个研究小组使用定制的 DLP 打印机演示了小至 18 微米 × 20 微米的通道。

间接制造依赖于打印牺牲性或可重复使用的模具，然后进行铸造和脱模。通常使用PLA、ABS和树脂基模具，具体取决于您偏好的是水溶性材料还是溶剂可溶性材料。这些技术与PDMS兼容，并减少了对光刻设备的依赖。

表面粗糙度和光学透明度仍然是一个问题。FDM打印的模具经常会引入分层伪影，而SLA方法中未固化的树脂可能会渗出毒素或抑制PDMS固化。一些团队通过在打印后抛光表面或对模具进行化学处理来改善脱模特性来解决这些问题。

微型设备的集成和未来方向

△生物学和化学中的 3D 打印微流体装置。图片来自 Springer Nature。

3D打印正日益将结构、电气和传感组件集成到单一构建流程中。多材料打印机开始同时生产基板、导电路径和介电层，尽管组件嵌入仍然需要人工干预。

可穿戴电子设备、柔性传感器和软体机器人领域的应用不断扩展。打印在弹性背衬上的可拉伸导体正被用于模拟电子皮肤系统的机械感受器和热感受器。BaTiO₃-PVDF复合材料等压电材料正在被研究用于打印执行器和能量收集器。

MEMS 制造仍然受到可打印材料机械性能限制的制约。硅凭借优异的刚度和精度，继续在高性能执行器领域占据主导地位。目前，增材制造方法更适合生产 MEMS 系统内的封装、连接器和牺牲支架。

人们正在探索利用多光子和光辅助工艺来生产微电容器和加速度计等有源器件。最近的研究展示了利用2PP制造基于氮空位中心的量子传感器，该传感器能够探测微观环境中的热和磁波动。

随着材料、分辨率和系统集成度的提高，3D 打印将从外围用途转变为微系统设计和生产中的核心角色。

△3D打印微纳米器件。图片来自Springer Nature。