3D打印高性能射頻傳感器

中國的研究人員開(kāi)發(fā)了一種開(kāi)創(chuàng )性的方法，可以為射頻傳感器構建分辨率低于 10 微米的高縱橫比 3D 微結構。

該技術(shù)以 1：4 的寬高比實(shí)現了深溝槽，同時(shí)還實(shí)現了對共振特性的精確控制并顯著(zhù)提高了性能。這種混合技術(shù)不僅提高了 RF 超結構的品質(zhì)因數 （Q 因子） 和頻率可調性，而且還將器件占用空間減少了多達 45%。這為傳感、MEMS 和 RF 超材料領(lǐng)域的下一代應用鋪平了道路。

電子束光刻和納米壓印等傳統光刻技術(shù)難以滿(mǎn)足對超精細、高縱橫比結構的需求。厚度控制不佳、側壁不均勻和材料限制限制了性能和可擴展性。

該技術(shù)結合了雙光子聚合 （2PP）、電鍍和干法蝕刻。然而，由于工藝不兼容，將 2PP 與強大的金屬化相結合以用于功能性 RF 組件仍然難以捉摸。

來(lái)自比爾肯特大學(xué)和南洋理工大學(xué)的研究人員引入了一種新穎的制造工藝，該工藝使用 2PP 制造復雜的深溝槽，然后通過(guò)電鍍填充銅，并通過(guò)干蝕刻進(jìn)行精煉。結果是超緊湊的射頻諧振器，具有 4–6 GHz 之間的可調諧頻率、1：4 的縱橫比和亞 10 μm 分辨率框架內的高 Q 因子。

該過(guò)程從 2PP 開(kāi)始，以定義光刻膠層中的高縱橫比溝槽。然后通過(guò)電鍍用厚銅（最大 8 μm）填充這些空隙。隨后的干蝕去除種子層，產(chǎn)生具有平坦、垂直側壁和出色尺寸精度的獨立金屬結構。該團隊展示了寬度窄至 2-3 μm、高度超過(guò) 10 μm 的微結構。

快速退火用于增強銅鍵合，解決熱和機械挑戰。掃描電子顯微鏡 （SEM） 驗證了結構的高保真度，證實(shí)了它們的堅固性和可制造性。

制造方法首先在 ITO 涂層玻璃上涂上旋涂的 AZ-4562 正性光刻膠，b 將準備好的基板放在 3D 打印系統的樣品架上并曝光光線(xiàn)以獲得所需的圖案，c 顯影光刻膠的曝光部分，d 銅金屬的厚膜沉積在 ITO 種子層上沿給定圖案的線(xiàn)， e 旋涂保護層，f 用切割機將基板切割成更小的碎片，g 去除光刻膠，h 用 ICP 干蝕 ITO 種子層，i 熱退火以加強銅結構。

增加金屬厚度可以將 Q 因子提高 6 到 7 倍，諧振頻率偏移高達 200 MHz，從而為特定的射頻應用進(jìn)行精確定制。與傳統的 PCB 制造諧振器相比，3D 打印版本在保持性能的同時(shí)將占用空間減少了 45%。

“這項工作彌合了 3D 打印和功能性射頻設備之間的關(guān)鍵差距，”Bilkent 的 Hilmi Volkan Demir 教授說(shuō)。通過(guò)在高縱橫比金屬結構中實(shí)現亞 10 微米的分辨率，我們?yōu)樾⌒突?、高性能組件解鎖了新的設計自由度。通過(guò)幾何控制調整諧振頻率和 Q 因子的能力為下一代傳感器和通信系統提供了令人興奮的機會(huì )。

該技術(shù)可用于具有改進(jìn)的小型射頻傳感器，或用于診斷和治療的植入式或可穿戴微型設備。它與 MEMS 集成，可用于為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )建片上天線(xiàn)和信號處理器。

未來(lái)的發(fā)展包括集成其他功能材料或構建多層結構以擴展 RF 傳感器的功能。