IEEE MEMS2025 | 三维打印微机电系统技术

逍遥设计自动化

引言

微机电系统(MEMS)通过精确的结构设计和材料选择，已经成为从智能手机到汽车等日常设备中不可或缺的组成部分。虽然传统的半导体制造一直是MEMS生产的主要方式，但在定制化应用和小批量生产领域，三维打印技术正在形成新的制造范式[1]。

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微机电系统制造技术的演进

传统的MEMS制造主要依赖半导体制造技术，这种技术在大规模电子器件平面图案制造方面表现出色。然而，在创建三维结构时存在局限性。这种局限性限制了MEMS器件与机械力、声波和光等固有三维特性介质的交互能力。

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) h6 l7 \0 X* |" ]( C4 h图1：三维打印功能性MEMS加速度计的多个视图和组件。该图展示了三维打印技术在创建具有精确机械特征的复杂MEMS结构方面的能力。

5 P/ I' p1 Z$ f微尺度三维打印技术，特别是多光子光刻技术(MPL)，为传统制造提供了革新性的补充。MPL利用飞秒激光三维直写技术，能够以相对较高的打印速度创建具有纳米级分辨率的三维微结构。该技术已经日趋成熟并实现商业化，为MEMS制造提供了新方向。
( y' T" h3 r! ^, g7 I三维打印微机电系统的创新应用

在MEMS制造领域，三维打印技术的一个重要示范是压阻式MEMS加速度计的开发。该器件展现出与传统加速度计相当的性能，灵敏度为11 ppm/g，设计谐振频率为1.775 kHz。值得注意的是，每个器件的制造时间不到2.5小时，这与传统制造方法每次迭代可能需要数月的时间形成鲜明对比。
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/ B- x" G6 C# U3 f* g3 t: ?图2：三维打印聚酰亚胺微型加热器在不同电流下的工作状态，展示了三维打印MEMS器件的热性能。
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' A1 \+ w, K9 X( t) }7 y9 B% r另一项突破性应用是使用三维打印聚酰亚胺开发的微型加热器。这些器件采用悬浮式蛇形设计，最大限度地减少了通过热传导到基板的热损失。通过结合聚酰亚胺打印和定向金属沉积，这些微型加热器可在超过300°C的温度下工作。
先进医疗应用

复杂三维几何结构的制造能力为医疗应用开辟了新方向。

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! t3 d6 F  ?8 c; D图3：三维打印微针球体的扫描电镜图像，展示了制造具有精确微观特征的复杂医疗器件的能力。

- A) O1 ~$ W8 |: H特别值得注意的是药物输送系统的发展，包括用于药物雾化的微型旋流喷嘴和创新的微针设计。该技术不仅能制造平面阵列的微针，还能制造球形构型的微针，形成可通过简单摩擦方式施用于皮肤的针承微球体。
光学微机电系统应用

" o" v5 }5 V6 \/ [* L3 v) p三维打印提供的精确性在光学MEMS应用中显示出特殊价值。
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. T3 g& _% r6 }! [& m. ^图4：使用多光子光刻技术进行无后处理纳米级三维打印二氧化硅玻璃的工艺流程和光学组件成果。
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该技术能够制造微透镜、复合透镜系统和菲涅尔区域板等复杂光学组件。这些组件可以直接打印在CMOS图像传感器上，或与量子点集成以提高光子提取效率。
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图5：无机硅基玻璃层级结构的三维打印工艺，展示了复杂纳米级特征的制造过程。

一项特别创新的发展是层级玻璃结构的制造，将宏观结构与自组织纳米光栅相结合。这种方法实现了具有增强表面积和改善离子传输能力的高性能微型超级电容器电极的开发。
材料创新的最新发展

7 I- Q# ~* W" e) ~5 r* N近期进展扩展了三维打印MEMS可用材料的范围，特别是在二氧化硅玻璃制造领域。

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9 q7 \: z( M1 ?5 R  w7 X( Z* W$ O图6：在光纤尖端制造的玻璃光学MEMS，展示了包括折射率传感和光束分离能力在内的各种应用。

无后处理纳米级三维打印固态二氧化硅玻璃的开发代表了重大突破。这项创新技术允许直接在光纤尖端制造复杂光学组件，实现折射率传感和偏振光束分离等应用。
0 D! |4 R# h4 m结论
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三维打印MEMS技术在制造工艺上取得显著进步，为定制器件制造和快速原型设计提供新选择。尽管在扩展材料选择和优化工艺方面仍面临挑战，但该技术在小批量到中等规模应用中表现出独特优势。纳米级精度、材料创新和设计灵活性的结合，使三维打印MEMS成为器件开发的重要技术方向。
; c" I) T" h! C9 v' r4 i; P参考文献

[1] P.-H. Huang, L.-L. Lai, T. Iordanidis, S. Watanabe, G. Stemme, N. Roxhed, K. B. Gylfason, and F. Niklaus, "3D PRINTED MEMS," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 19-23 January 2025, pp. 62-67.
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