MIT研究人员用3D列印降低MEMS制造成本

    当今的微机电系统(MEMS)所使用的量产制造技术仰赖昂贵的半导体微影设备。因此，晶片的生产通常需要存在一个相当大的市场，才足以涵盖某种特定元件的生产成本要求，以及实现商品化的可能性。
美国麻省理工学院(MIT)微系统技术研究室(Microsystems Technologies Laboratories)的研究人员日前展示几种能以低成本打造MEMS的新方法，不仅可让所生产的元件实现简单的客制化，同时还利用一种桌上型的3D列印晶圆厂，为制造商提供一种全新的替代路径。

这种制造MEMS的新途径能够实现一些数量较小的新感测器与元件；这些元件通常无法找到够大的市场为其涵盖使用传统制程从IP到终端产品的完整开发与成本。

MIT研究人员的元件制造方式回避了导致传统MEMS制造成本变得昂贵的许多必要条件。

“我们所使用的积层制造技术是以低温与无真空条件为基础，”MIT微系统技术研究室首席研究科学家Luis Fernando Velasquez-Garcia表示，“我们所使用的最高温度约为60℃。在晶片中，你或许得生长氧化物，但其生长条件大约要1,000℃。而在许多情况下，反应器需要较高的真空，才能避免污染。但我们快速地进行制造，所发布的晶片从开始到完成只需要几个小时的制造时间。”

实际的制造技术取决于所使用的密集发射器阵列，在受到强大的电场时喷洒出微流体。为了打造气体感测器，来自英国公司Edwards Vacuum的客座研究人员Velasquez-Garcia与Anthony Taylor使用了所谓的“内部供电发射器”。

这种带有圆柱状孔径的发射器可让流体通过。研究人员们利用含有微小石墨烯氧化物薄片的流体，在矽基板上喷涂预设的图案。流体迅速蒸发后，留下仅数十奈米厚的石墨烯氧化物薄片涂层。由于该薄片十分轻薄，在与气体分子相互作用后，以可测量的方式改变其电阻值，使其可用于检测。

根据Velasquez-Garcia表示，所取得的气体感测器在精确度方面可媲美几百美元的昂贵商用产品，而且它的速度还更快，只需几美分即可打造出来。

在研究人员首次建置时，Velasquez-Garcia 和Taylor所使用的电喷洒发射器是利用传统半导体制造所打造的。而在其于《微机电系统》(Journal of Microelectromechanical Systems)12月刊中发表的第二次研究中，Velasquez-Garcia使用经济实惠的高品质3D列印机来生产塑料电喷洒发射器，其尺寸与性能更符合可实现气体感测器的发射器。


图中的发射器是49个发射器阵列中的一部份。由于采用层叠制造，使得发射器外部的扇形清楚可见
（来源：MIT）

研究人员不仅能够使这些电喷洒元件更具成本效益，3D列印技术还使其可为特定应用客制元件，几需几天就能将微喷嘴更新至下一代。

事实上，他们还可以在其客制的桌上型MEMS晶圆厂打造出新的MEMS元件。另一项较大的优势在于其低温制程让感测器设计人员能够沉积出一些无法相容于高温半导体制程的材料，例如具有某些特性的生物分子。

这项新的制造技术能够为MEMS开启新的应用领域，同时让更多的IP实现可行的商用产品。“在某些情况下，MEMS制造商必须在他们想制造的产品以及微加工技术的要求之间取得某种折衷与妥协，”Velasquez-Garcia解释说，“因为只有少量的元件适合大量市场的条件。”


已布线的完整石墨烯氧化物气体感测器晶片。石墨烯氧化物薄膜图中覆盖电极结构的绿点
（来源：Anthony Taylor与Luis F Velasquez-Garcia）


热导测量的石墨烯氧化物气体感测器光学显微镜影像。左上角插件显示感测器主动区域的特写