硅成本太高，塑料MEMS前景可期
2018-04-08 22:44:20   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日在法国印刷电子协会于巴黎举办的为期两天的“印刷电子研讨会”上，来自波尔多大学法国国家科学研究中心的科学家Cedric Ayela介绍了他在聚合物MEMS传感器方面的研究工作。他的聚合物MEMS研究，灵感主要源自电子鼻中的微悬臂硅MEMS——利用悬臂量上足够的功能性表面吸收目标分子，从而改变其挠曲度（通过增加质量的静态模式）或其谐振频率（动态传感模式）。

作为采用聚合物的众多印刷电子应用的一种案例，Ayela总结了聚合物MEMS器件的优势：结合了低成本合成、有机材料良好的可加工性以及各种光学、机械、电学和化学性质，可以通过精确调整获得特定的功能。“不过，在MEMS器件中采用聚合物材料的关键原因之一，是其较低的杨氏模量，使器件具有极佳的弹性，即使在较低的激励下也能产生大幅度的形变，”Ayela强调说。

事实上，尽管目前商业化的MEMS应用都采用硅或玻璃材料，但是已经有大量围绕聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、环烯烃共聚物树脂或SU-8环氧基光致抗蚀剂等多种基材构建的聚合物MEMS传感器和执行器文献报道。

Cedric Ayela介绍压电OFET悬臂结构

在Ayela的研究中，他利用了熟知的聚偏氟乙烯共三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）共聚物的压电性质，设计了一款压电有机场效应晶体管（OFET），并将之整合进由弹性聚萘二甲酸乙二酯（PEN）制作的微悬臂中。他的这项研究成果发表于Nature的科学报告，题为“Piezoelectric polymer gated OFET: Cutting-edge electro-mechanical transducer for organic MEMS-based sensors”，介绍了这种灵敏度极高的聚合物MEMS传感器，能够通过极小的悬臂梁形变探测应变。

为了设计成一种机电换能器，这款三角形的压电OFET堆栈了底部铝栅电极、P(VDF-TrFE)和聚（1-乙烯基-1-2-4-三唑）（PVT）栅极介电层，和顶部有机半导体（并五苯结果最好）和金源漏（S/D）电极。首先，需要一个极化步骤来诱导压电效应（在材料中产生偏振态），这通过在栅极和源端的连续高压扫描来完成。不过，随着悬臂的形变（通过源自目标分子的分子质量增加），机械应变改变了P(VDF-TrFE)层中氢原子和氟原子的距离，导致p型半导体中正电荷耗尽。这直接影响了OFET器件的特性，由此实现了这款高灵敏度的机电换能器。

为了制造这款嵌入OFET的MEMS传感器，Ayela和他的研究团队结合了经典的沉积技术（掩模版）和静电印刷技术——一种高精度切绘机，能够提供5µm的横向分辨率。这种简单的制造工艺无需复杂的刻蚀步骤和硅加工所需要的光刻掩模，使这种MEMS器件极具成本竞争力，同时器件良率也可达到95%。

在一个实施案例中，这种OFET嵌入式MEMS传感器利用顶部的水凝胶层进行了功能化，其工艺与静电印刷技术兼容。水凝胶会在潮湿环境中膨胀，随着相对湿度的增加，从而产生拉伸应变并弯曲悬臂。据研究人员在其论文中介绍，在低应变水平下（低于0.3%）记录的线性相对应变灵敏度为600，测量灵敏度为7500ppm/%RH，提取检测极限为0.2%RH。Ayela预计凭借如此高的应变灵敏度，可以设计更多的OFET嵌入式MEMS传感器，并实现低成本的大规模量产。

当被问及这种聚合物MEMS缺乏传统硅MEMS外壳封装的保护，是否会太脆弱时，研究人员表示恰恰相反，由于这种聚合物MEMS弹性非常好反而更加牢靠，在受到影响后会很快恢复原始状态。不过，它们仍然需要具有倒凹区的某种封装，这些可以在层压工艺中完成。

事实上，Ayela称这种OFET嵌入式MEMS可以采用工业化的工艺很方便的完成制造，包括卷对卷（roll-to-roll）制造技术。据他介绍，这类器件可以实现商业化，集成到智能器件封装中。

而在学术层面，这款低成本的OFET嵌入式悬臂还可以用于精确表征有机半导体的机电响应，并且，他们已经在做相关研究：他们近期发表了一篇题为“Unusual electromechanical response in rubrene single crystals”的论文，采用OFET嵌入式MEMS作为测试平台，尝试利用更灵敏的有机半导体提高其机电灵敏度。

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