微机电系统（MEMS）器件，例如MEMS加速度计，广泛应用于汽车电子、消费电子和生物医疗等行业。利用半导体制造技术可有效地大批量生产MEMS器件，但对于具有成本效益的专用MEMS器件的中小批量生产，该技术不甚理想。而MEMS器件的3D打印技术却可实现中小规模的MEMS器件的高效生产。然而，当前的微型3D打印技术在打印功能性MEMS器件方面的能力非常有限。
据麦姆斯咨询报道，为此，瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）联合瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）开发出一款3D打印的功能性MEMS加速度计。研究人员使用基于双光子聚合的3D打印技术制作微结构，并通过金属蒸发沉积应变敏感元件，并对MEMS加速度计随时间推移表现出的响应度、谐振频率和稳定性进行了表征。结果表明，功能性MEMS器件的3D打印是一种可行的方法，能够有效地实现各种MEMS器件的定制设计，解决传统MEMS制造难以或无法解决的新应用领域问题。
为了证明3D打印的功能性MEMS加速度计的实际可行性，研究人员设计了一种可通过双光子聚合进行3D打印的加速度计结构，随后进行定向金属沉积步骤，以形成应变敏感元件、电气互连和探测电极（下图a）。
3D打印的MEMS加速度计
这款新开发的MEMS加速度计的工作原理类似于标准压阻式MEMS加速度计，即在垂直于基板表面的方向上、在一定质量材料上施加外部加速度，从而产生导致悬臂弯曲的力（依据牛顿第二定律：F = m*a，F表示力，m表示质量，a表示加速度）。悬臂的弯曲导致其顶部的金属电阻应变仪（敏感元件）应变以及应变仪电阻的相关变化。该应变仪电阻变化与感应应变相关，最终与施加的加速度相关。
为了表征3D打印的MEMS加速度计的性能，研究人员制造了三个设计相同的器件，并测量它们随时间推移表现出的谐振频率、响应度和响应稳定性。为此，研究人员使用了一个由压电振动器和激光多普勒测振仪（LDV）组成的装置，其被连接在一个锁定放大器上。该锁定放大器以所需频率驱动压电振动器，同时解调来自激光多普勒测振仪的信号，该信号与质量块的机械振荡幅度和电阻应变计敏感元件在同一频率下的输出幅度相关。在研究人员校准了压电振动器后，表征了该MEMS加速度计在其共振频率下的机械响应。
MEMS加速度计的机械表征
测量设置和压电振动器校准
在这项工作中，研究人员展示了使用微型3D打印技术和定向金属沉积步骤制造三个功能齐全的MEMS加速度计的工艺过程。单颗MEMS加速度计结构的3D打印包括显影和紫外线（UV）泛曝光，耗时1小时45分钟（没有进行优化以获得最短的打印时间），金属蒸发沉积耗时40 分钟，其中30 分钟用于设备抽真空。因此，制造单颗MEMS加速度计所需的总时间不到2.5小时，只需要双光子聚合3D打印机和金属蒸发器，无需洁净室。
此外，在制造一批多个MEMS器件时，可以在多个设备上并行执行部分工艺步骤，例如UV曝光和金属沉积，从而大大减少单颗MEMS加速度计所需的制造时间。虽然与其它3D打印技术相比，双光子聚合3D打印机的获取和操作成本仍然相对较高，但随着对平行光束和更敏感的光聚合物的研究显示出可喜结果，该类型的3D打印机的生产力预计将在未来几年内提高。
此次研究结果表明，3D打印的功能性MEMS加速度计实际上是可行的，并且有望实现具有竞争力的性能。研究人员提出的MEMS增材制造方法具有应用于各种MEMS器件的潜力，例如压力传感器、麦克风、陀螺仪和流量传感器等。此外，3D打印将为新型MEMS器件提供复杂的创新型几何结构，这是目前使用传统的2.5D硅微加工技术无法实现的。研究人员通过将双光子聚合与定向材料沉积相结合，来选择性地对3D打印MEMS结构的表面进行功能化的方案是通用的，这有助于创新设计和各种换能器元件的集成，例如压敏电阻器、压电元件和纳米线元件等。
重要的是，小批量3D打印MEMS的设计和制造之间的快速转换使研究人员能够在几个小时内评估器件性能并对其进行优化。从产业角度来看，这显著降低了为中小型应用制造新型定制MEMS器件的启动成本，而使用标准的微加工技术制造这种器件的成本将令人望而却步。因此，该功能性MEMS增材制造方法，以及该技术实现的广泛有前景的创新，促进了MEMS全新的3D设计和制造范式，这对未来在机器人、航空航天和医学等重要领域的研究和应用具有很大的前景。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00440-9
延伸阅读：
《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》
《3D打印和增材制造技术及市场-2022版》
《3D电子及增材制造电子技术和市场-2022版》
