近日，麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的研究人員開發(fā)出了一種使用桌面型3D打印機(jī)制造高質(zhì)量微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)的方法。用這種方法制造MEMS，其成本僅有市場上現(xiàn)有技術(shù)的百分之一，而且質(zhì)量一點不差。
3D打印MEMS
MEMS是一種非常小的技術(shù)裝置，其部件尺寸通常為1至100微米。2014年MEMS的市場容量就已經(jīng)達(dá)到了120億美元，但是這種產(chǎn)品的生產(chǎn)門檻很高。要生產(chǎn)MEMS，必需要用到先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備，而這種設(shè)備的制造成本往往高達(dá)數(shù)千萬美元。如此巨大的投資要求顯著阻礙了在MEMS方面對于潛在有用設(shè)備的開發(fā)。
但是不久前MIT微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的研究人員連續(xù)發(fā)表的兩篇論文表明，這些財務(wù)上的障礙有可能很快會被消除。在這兩篇論文中，有一篇證明了使用一臺桌面設(shè)備制造的MEMS氣體傳感器性能與使用昂貴生產(chǎn)設(shè)施制造出來的替代品相差無幾，而另一篇論文則證明了這種桌面制造裝置的核心部件可以用一臺3D打印機(jī)制造出來。
氣體傳感器
據(jù)了解，研究人員能夠通過去除生產(chǎn)工藝中最昂貴的部分，即高溫和真空環(huán)境，使上述氣體傳感器的成本降到了以前的一小部分。“我們進(jìn)行的增材制造是基于低溫和無真空的。”微系統(tǒng)技術(shù)實驗室的首席研究科學(xué)家和兩篇論文的高級作者LuisFernandoVelásquez-García說。“我們使用的最高溫度大概是60攝氏度。而如果在一塊芯片上，你可能需要生長氧化物，它的生長溫度大約為1000攝氏度。在很多情況下，反應(yīng)器中還需要高真空以防止污染。我們能夠很快地制造出這些設(shè)備，從開始到結(jié)束只需幾個小時。”
這種經(jīng)濟(jì)型的氣體傳感器主要使用氧化石墨烯的小薄片，這種材料只有一個原子厚，具有不同尋常的電學(xué)特性。由于這種石墨烯薄片非常薄，因此與氣體分子的接觸就足以改變其電阻，這使它對于傳感極為有用。“我們將這種氣體傳感器與同類的售價數(shù)百美元的商業(yè)化產(chǎn)品進(jìn)行了直接比較。”Velásquez-García說。“我們的到的結(jié)果是，它一樣精確，而且速度更快。我們以非常低的成本——大概幾十美分——制造出來的產(chǎn)品與市場上的產(chǎn)品不相上下，甚至更好。”
實際上，研究人員最初打算使用更昂貴的電噴發(fā)射器，以常規(guī)技術(shù)來制造氣體傳感器，但是他們后來發(fā)現(xiàn)，有一種3D打印機(jī)也可以用于制造發(fā)射器，其大小和性能等同于消費級的替代品。3D打印也使研究人員能夠基于特定目的自定義每個部件，這使得整個過程更具建設(shè)性。“當(dāng)我們開始設(shè)計它們的時候，可能完全沒有概念。”Velásquez-García解釋說。“但一周之內(nèi)，我們就有可能制造出15代的設(shè)備，其中每個設(shè)計的性能都會比以前的版本更好。”
3D打印制造高質(zhì)量微電機(jī)系統(tǒng)
盡管這項研究顯示了3D打印技術(shù)在MEMS制造方面的優(yōu)勢，但是學(xué)者們在宣傳這條好消息時還是非常謹(jǐn)慎的。“當(dāng)然，這篇論文開辟了制造氣體微傳感器的全新技術(shù)路徑。”波蘭Wroclaw技術(shù)大學(xué)微工程系負(fù)責(zé)人JanDziuban說：“從技術(shù)的角度來看，這項技術(shù)很容易用于大規(guī)模制造。但是這一結(jié)果需要進(jìn)行統(tǒng)計證明。個人經(jīng)驗告訴我，過去有很多高水平的科研論文介紹了大量可用于新型傳感器的非常有前途的材料，但是最終并沒有出現(xiàn)可靠的產(chǎn)品。”
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