據麥姆斯咨詢報道，波蘭西里西亞工業(yè)大學（Silesian University of Technology）的Tomasz Blachowicz和德國比勒費爾德應用科學大學（Bielefeld University of Applied Sciences）的Andrea Ehrmann近期在Micromachines發(fā)表了他們的研究成果，題為“3D Printed MEMS Technology—Recent Developments and Applications”

微電子機械系統（MEMS）已廣泛用于現代各類電子應用，無論是在醫(yī)學、測量、微流控，還是在物聯網等各領域中，均可以看到它的身影。MEMS元件常用作微型傳感器或執(zhí)行器，通常由硅制成；近年來使用聚合物制成的MEMS器件也比較常見。典型的硅基MEMS器件有：壓力傳感器、陀螺儀、加速度計、MEMS麥克風、噴墨打印頭等。

與單純的微電子學相比，MEMS制造的標準化程度相對較低，較難引入新的器件結構；但是如果將MEMS技術與3D打印相結合，就可在某些領域中更輕松地制造新器件結構，從而為新應用輸入“新鮮血液”。研究者指出，MEMS 3D打印技術經常面臨各種挑戰(zhàn)，但近期許多技術發(fā)展可能將受益于3D打印的最大優(yōu)勢——更高的生產效率以及更大的經濟效益。3D打印的常用聚合物是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或聚乳酸（PLA），也可使用聚酰胺（尼龍）或聚碳酸酯。

“盡管3D打印為MEMS技術的施展提供了更大的自由，但只有平均不到1%的3D打印相關研究集中在MEMS技術上。”研究人員表示，“這與MEMS制造中3D打印技術的潛在優(yōu)勢形成了鮮明反差，特別是3D打印還可避免因各向異性蝕刻圖案未對準而導致的3D結構欠蝕刻的相關問題。”

“可以預期，3D打印方法允許以所需的方式剪裁3D形狀，從而通過適當調整工藝參數，使器件結構更可靠。”

然而，該技術也存在一些挑戰(zhàn)，比如分辨率、熱收縮等參數的范圍有限。

典型3D打印技術介紹

Blachowicz和Ehrmann在論文中介紹了2013年Leary等人開發(fā)的用于器官芯片和3D打印微流控器件的MEMS通道的研究。不久之后，Lifton等人開始探索在微流控和芯片實驗室領域的3D打印技術，并且比較了制造MEMS器件的各類技術。除了在毒性和生物相容性方面需要對材料進行精心篩選，作者還討論了關于技術的選擇，如光刻、雙光子與多光子聚合、噴墨3D打印、金屬增材制造工藝以及組合與融合技術。

將3D打印與拾取和放置功能結合，可制造用于聲波流體粒子操縱的3D MEMS器件。（圖片來源：英國皇家化學學會）

3D打印應用于MEMS傳感器和執(zhí)行器

3D打印也可用于各類不同的傳感器和執(zhí)行器，如化學傳感器，物理傳感器，開關和振動執(zhí)行器等。

（a）圖為3D打印的MEMS開關概念圖，當在固定的底部電極上施加電壓時，由于靜電作用，在懸浮電極上將產生下拉力；（b）圖為3D打印的工藝步驟。（圖片來源：美國化學學會）

在航空航天應用中，研究者探索使用MEMS介電彈性體執(zhí)行器（dielectric elastomer actuators）與3D打印機翼骨架相結合。當使用MEMS介電彈性體執(zhí)行器時，由于其有潛力擁有更大的承載能力、更高的工作密度以及高頻工作的能力，可利用仿真來優(yōu)化機翼。

圖為微型飛行器的概念設計，由MEMS技術與3D打印相結合制造而成

Khandekar等其他研究者使用陶瓷聚合物復合材料為微型衛(wèi)星的微推進器3D打印了相關部件。

“大約20年前，首次出現了3D打印MEMS器件的想法，并在結合這些技術方面取得了很大進展。尤其對于微流控系統和一些MEMS傳感器和執(zhí)行器而言，如今已可通過各種3D打印技術來實現。”研究者在文中總結道。

“如雙光子聚合技術等新增材制造技術，可制備尺寸小于1 μm的最小器件特征。而對于更成熟的3D打印技術來說，出現了如何縮小最小特征尺寸的新思路，從而使3D打印越來越符合MEMS制造的要求。”