使用3D打印MEMS实现柔性微系统中的微镜控制
2024-07-20 20:07:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员利用双光子聚合3D打印技术和柔性印刷电路板开发出一种集成静电式微执行器的小型、轻量级的柔性微系统。在一系列可移动微镜阵列演示中，该系统即使在变形的情况下，也展示出精准可控的驱动能力。
据麦姆斯咨询报道，美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员利用双光子聚合（2PP）3D打印技术和柔性印刷电路板（FPCB）开发出一种集成静电式微执行器的小型、轻量级的柔性微系统。在一系列可移动微镜阵列演示中，该系统即使在变形的情况下，也展示出精准可控的驱动能力。
集成微镜的柔性印刷电路板（FPCB）的制造：a. 使用SU-8作为临时粘合剂将FPCB附着到玻璃基板上；b. 使用双光子聚合（2PP）技术将3D结构直接打印到柔性印刷电路板上；c. 利用金属溅射工艺在3D打印结构上形成铝涂层；d. 电子元件通过嵌入在柔性印刷电路板中的铜线安装并连接到执行器。
该研究的难点在于将金属溅射工艺集成到制造过程中，通过微机电系统（MEMS）的导电3D结构激活执行器。由于柔性印刷电路板的柔韧性和不平整的表面，以及所用材料的可变反射率，在其上进行3D打印是一项特别的挑战。这一创新为自适应光学和可穿戴设备的应用开辟了新的前景。
MEMS得益于自身的小尺寸、高精度，能集成到电子系统中的优势而得到广泛应用。MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计被应用于智能手机、平板电脑、游戏设备、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）及可穿戴设备中。基于双光子聚合的3D打印能够在各种基板上以高形状精度生产复杂的微尺度设计，因此成为MEMS制造方式之一，这样消除了对多个组装步骤的需求。
通常在玻璃片或硅片等刚性基板上进行3D打印很简单，而在柔性印刷电路板上进行3D打印却有很大难度，因为由聚酰胺和铜等不同材料组成的基板高度不同，并且表面不平整，又是柔性的，因此很难找到打印界面来打印边界层。
在柔性印刷电路板上制造MEMS执行器
在柔性基板上制造微执行器面临着诸多难题，特别是需要在基板表面变形的情况下依然保持特有功能。美国卡内基梅隆大学的研究人员Sukjun Kim、Regan Kubicek和Sarah Bergbreiter利用Nanoscribe公司的双光子聚合3D打印技术解决了这些困难。该创新方法可使静电式微执行器被直接精准地制造在现成的柔性印刷电路板上。
柔性印刷电路板上3D静电式执行器的制造
研究人员最终制造出一个强大的高性能柔性微系统，即使在基板表面显著变形的情况下也能保持驱动能力。该能力在柔性微镜阵列中尤为明显，其中执行器可以精准地控制微镜的运动来改变反射光的方向。研究人员通过在制造过程中利用自动化3D打印技术，可以在大面积上快速制造和集成大量微镜。该项研究成功展示了一款3 × 9的微镜阵列。
集成微镜阵列
在复杂的基板上对齐3D打印
在柔性印刷电路板上进行3D打印尤其具有挑战性，因为这种非常规基板包含现有形貌以及多种材料（例如聚酰胺和铜）。研究人员设定了一种制造策略，将微执行器3D打印在柔性基板的预制非平整表面上。而铜箔上不同高度的铜线和其它结构的形貌对3D打印来说尤其困难，研究人员通过定制缓冲层成功克服了这一难题。
柔性印刷电路板不同的反射率是识别要打印的基板表面的又一个重大挑战。此外，必须解决柔性印刷电路板结构的粘附特性，以确保MEMS结构的牢固放置。柔性印刷电路板上3D打印微执行器的电气集成也需要在手动对齐3D打印和金属沉积工艺中具有高水平的精度。
柔性微系统的应用
研究人员已经成功证明了柔性印刷电路板非常适合作为具有高精度、高可控性的MEMS平台。这为可能的应用打开了一扇全新的大门。像基于热弹性体或液晶弹性体等其它类型的微执行器，以及像新型电容传感架构的所有类型的电连接MEMS传感器，均可以被集成于柔性印刷电路板。通过嵌入式金属层利用柔性印刷电路板的集成能力，不受束缚的柔性微系统与机载电子设备可以为具有电源和控制自主性的智能柔性微系统铺平道路。
下一代3D打印的前景
该研究使用Nanoscribe公司的Photonic Professional GT+进行3D打印，这是一种高度精确和成熟的微加工系统。同时，该研究中描述的许多挑战可以使用下一代微加工技术更快、更顺畅、更高质量和高精度地解决。
Nanoscribe公司的Quantum X系统具有多达三种不同的界面检测方法。这大大提高了对各种基板的检测精度。此外，Quantum X align简化了各种部件和元件之间杂乱的放置，保证主动对齐。配备的双光子光刻对准系统A2PL®（Aligned 2-Photon Lithography A2PL®），使该系统以纳米精度自动检测复杂基板上的界面及其空间方向。
使用nanoPrintX软件可定义微型部件，该软件适用于需要在预制基板上精确对准的复杂对象，并直接在正确的方向和倾斜补偿进行3D打印。这降低了工艺链的复杂性，放宽了装配公差，并使器件进一步小型化。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304991
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