MIT研究人員用3D列印降低MEMS制造成本

　　當今的微機電系統(MEMS)所使用的量產(chǎn)制造技術(shù)仰賴(lài)昂貴的半導體微影設備。因此，晶片的生產(chǎn)通常需要存在一個(gè)相當大的市場(chǎng)，才足以涵蓋某種特定元件的生產(chǎn)成本要求，以及實(shí)現商品化的可能性。

　　美 國麻省理工學(xué)院(MIT)微系統技術(shù)研究室(Microsystems Technologies Laboratories)的研究人員日前展示幾種能以低成本打造MEMS的新方法，不僅可讓所生產(chǎn)的元件實(shí)現簡(jiǎn)單的客制化，同時(shí)還利用一種桌上型的3D 列印晶圓廠(chǎng)，為制造商提供一種全新的替代路徑。

　　這種制造MEMS的新途徑能夠實(shí)現一些數量較小的新感測器與元件;這些元件通常無(wú)法找到夠大的市場(chǎng)為其涵蓋使用傳統制程從IP到終端產(chǎn)品的完整開(kāi)發(fā)與成本。

　　MIT研究人員的元件制造方式回避了導致傳統MEMS制造成本變得昂貴的許多必要條件。

　　“我 們所使用的積層制造技術(shù)是以低溫與無(wú)真空條件為基礎，”MIT微系統技術(shù)研究室首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velasquez-Garcia表示，“我們所使用的最高溫度約為60℃。在晶片中，你或許得生長(cháng)氧化物，但其生長(cháng)條件大約要1,000℃。而在許多情 況下，反應器需要較高的真空，才能避免污染。但我們快速地進(jìn)行制造，所發(fā)布的晶片從開(kāi)始到完成只需要幾個(gè)小時(shí)的制造時(shí)間。”

　　實(shí)際的制造技術(shù)取決于所使用的密集發(fā)射器陣列，在受到強大的電場(chǎng)時(shí)噴灑出微流體。為了打造氣體感測器，來(lái)自英國公司Edwards Vacuum的客座研究人員Velasquez-Garcia與Anthony Taylor使用了所謂的“內部供電發(fā)射器”。

　　這種帶有圓柱狀孔徑的發(fā)射器可讓流體通過(guò)。研究人員們利用含有微小石墨烯氧化物薄片的流體，在矽基板上噴涂預設的圖案。流體迅速蒸發(fā)后，留下僅數十奈米厚的石墨烯氧化物薄片涂層。由于該薄片十分輕薄，在與氣體分子相互作用后，以可測量的方式改變其電阻值，使其可用于檢測。

　　根據Velasquez-Garcia表示，所取得的氣體感測器在精確度方面可媲美幾百美元的昂貴商用產(chǎn)品，而且它的速度還更快，只需幾美分即可打造出來(lái)。

　　在 研究人員首次建置時(shí)，Velasquez-Garcia 和Taylor所使用的電噴灑發(fā)射器是利用傳統半導體制造所打造的。而在其于《微機電系統》(Journal of Microelectromechanical Systems)12月刊中發(fā)表的第二次研究中，Velasquez-Garcia使用經(jīng)濟實(shí)惠的高品質(zhì)3D列印機來(lái)生產(chǎn)塑料電噴灑發(fā)射器，其尺寸與性能 更符合可實(shí)現氣體感測器的發(fā)射器。

　　圖中的發(fā)射器是49個(gè)發(fā)射器陣列中的一部份。由于采用層疊制造，使得發(fā)射器外部的扇形清楚可見(jiàn)

　　研究人員不僅能夠使這些電噴灑元件更具成本效益，3D列印技術(shù)還使其可為特定應用客制元件，幾需幾天就能將微噴嘴更新至下一代。

　　事實(shí)上，他們還可以在其客制的桌上型MEMS晶圓廠(chǎng)打造出新的MEMS元件。另一項較大的優(yōu)勢在于其低溫制程讓感測器設計人員能夠沉積出一些無(wú)法相容于高溫半導體制程的材料，例如具有某些特性的生物分子。

　　這 項新的制造技術(shù)能夠為MEMS開(kāi)啟新的應用領(lǐng)域，同時(shí)讓更多的IP實(shí)現可行的商用產(chǎn)品。“在某些情況下，MEMS制造商必須在他們想制造的產(chǎn)品以及微加工 技術(shù)的要求之間取得某種折衷與妥協(xié)，”Velasquez-Garcia解釋說(shuō)，“因為只有少量的元件適合大量市場(chǎng)的條件。”

　　已布線(xiàn)的完整石墨烯氧化物氣體感測器晶片。石墨烯氧化物薄膜圖中覆蓋電極結構的綠點(diǎn)

　　熱導測量的石墨烯氧化物氣體感測器光學(xué)顯微鏡影像。左上角插件顯示感測器主動(dòng)區域的特寫(xiě)