双光子聚合（TPP）3D打印技术结合了光学非线性效应与飞秒激光超短脉冲和超高峰值强度，为材料加工带来了革命性改变。该技术从时间和空间两个维度将飞秒激光脉冲紧聚焦于光刻胶内部并诱导双光子聚合发生，实现了聚合物3D微纳结构的增材制造，为微机电系统（MEMS）传感器的发展和应用提供了新方法。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究进展，深圳大学、香港中文大学等机构的研究团队进行了综述分析，系统介绍了双光子聚合3D打印的基本原理，综述了该技术在MEMS传感器方面的研究进展，并对该技术的未来发展方向进行了展望。相关研究内容以“基于双光子聚合3D打印的MEMS传感器研究进展”为题发表在《中国激光》期刊上。
双光子聚合3D打印基本原理
3D打印（又称“增材制造”）是实现复杂立体三维结构制造的重要方法，它突破了传统减材制造工艺难以应对复杂三维结构加工、生产的限制，将生产制造工艺推向了一个全新的阶段，但常规3D打印的精度难以满足MEMS所需的亚毫米乃至亚微米级制造需求。将双光子聚合与3D打印技术相结合可以解决上述问题。双光子聚合能够从时间和空间上将单体间的聚合反应紧密聚焦在一点，再结合3D打印技术，连点成线，再逐面成体，便可实现微纳尺度上复杂三维结构的制造。
图1 材料在单光子、多光子和双光子吸收过程中的电子激发过程
图2 材料吸收的激光能量的空间分布以及飞秒激光在光刻胶内部诱导双/多光子聚合示意图
基于双光子聚合3D打印的MEMS传感器
双光子聚合3D打印技术在光学超材料、微光学元件、形状记忆聚合物、微纳机械结构、微纳流体器件和生物微组织框架等的制造方面涌现出了许多优秀的研究成果。这些成果对MEMS的发展产生了重大影响，特别是MEMS与光子学的结合使得基于微结构的光学MEMS传感器得到了长足发展。
（1）温/湿度传感器
以温度和湿度作为传感测量对象的MEMS传感器需要能够敏锐地感应到温度或湿度引起的有效折射率改变或者结构形变等，因此，使用双光子聚合3D打印构建光纤布拉格光栅（FBG）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、法布里-珀罗干涉仪（FPI）和回音壁模式（WGM）光学微腔等能够敏锐地对周围介质折射率变化产生响应的结构，成为实现温/湿度MEMS传感器的常见方案。
图3 双光子聚合3D打印的MEMS温/湿度传感器
（2）力学传感器
基于双光子聚合3D打印的力学传感器主要用来实现微纳力（nN、μN）级别的静态传感测量以及振动（如声波等）的动态传感测量。此类传感器主要以构造能对材料形变产生灵敏响应的微结构为主，如FPI等。此类MEMS传感器倾向于通过设计精妙的微机械结构来增强传感性能。
图4 双光子聚合3D打印的MEMS微力传感器
图5 双光子聚合3D打印的MEMS振动传感器
（3）生化传感器
生化检测方面的传感应用要求MEMS能够对生物化学成分、人体健康指标等进行传感，因此，研究人员通过有效折射率敏感结构设计、功能光刻胶打印、光子晶体设计等策略实现了生化传感，并为生物化学成分传感检测和人体健康检测探索出了多样化方案。
图6 双光子聚合3D打印的气体传感器
图7 双光子聚合3D打印的液体传感器
图8 双光子聚合3D打印的生物传感器
（4）磁场传感器
由于双光子聚合3D的材料以聚合物为主，仅仅依靠结构设计并不能满足需要，还需要对打印结构附加能够对磁场产生响应的辅助物质以及相适应的辅助结构来共同实现传感功能。
图9 双光子聚合3D打印的磁场传感器
（5）流速传感器
目前，人们比较关注的是双光子聚合3D打印的流速传感器在气体流速方面的检测，此类传感器需要对各种流体兼容，而确保传感器在不同流体（包括腐蚀性流体等）和不同条件（黏度、密度、温度等不同）下的适用性、耐用性是双光子聚合3D打印的MEMS流速传感器的一个难点。同时，在复杂的流速和流量条件（如低流速或者复杂变化的流速等）下的高精度测量仍然是一大挑战。
图10 双光子聚合3D打印的流速传感器
（6）其它传感应用
半导体材料光刻胶是如今双光子聚合光刻胶研发的一个重要方向。基于量子点光刻胶和半导体光刻胶的突破，结合双光子聚合3D打印技术进行器件制造，有望在微型图像传感器芯片和其它光电探测元件的制造上实现突破。此外，利用双光子聚合3D打印加热处理方法还可以制备具有高品质因子的刚性MEMS谐振器，这种谐振器件有望在高分辨率质量传感方面展现巨大潜力。
图11 基于ZnO半导体纳米线掺杂光刻胶的双光子聚合3D打印紫外MEMS传感器
图12 基于金属盐掺杂光刻胶的双光子聚合3D打印热处理方法制造的MEMS质量传感器
研究展望
随着双光子聚合3D打印技术的发展成熟，特别是双光子聚合3D打印系统从实验室走向商业化，极大地加速了基于双光子聚合3D打印的各类MEMS传感器的研发。然而，当前仍有一些难题亟待解决：（1）双光子聚合3D打印技术为MEMS设计带来了新的可能性，但如何兼顾制造效率和加工精度仍是挑战。未来需要继续探索使用高速扫描设备来支持大量多焦点并行加工的打印策略，以便使双光子聚合3D打印MEMS器件的大批量生产能够真正落地。（2）双光子聚合3D打印MEMS传感器材料的多样化应用是另一个未来需要突破的难点和发展方向。通过结合两种甚至多种材料进行双光子聚合3D打印，以及更加精巧的结构设计，有望实现具有更多可控力学结构的MEMS器件，进一步提高MEMS传感器的灵敏度和检测下限，从而设计出更具突破性的新结构和新功能器件。
未来，基于双光子聚合3D打印技术的MEMS器件将为更多先进传感器的出现提供最前沿的技术工具和解决方案，推动传感器的微型化、智能化、高集成化持续向前发展。
论文信息：DOI: 10.3788/CJL240609
