MIT研究人員用3D打印將MEMS制造成本降至百分之一

  近日，麻省理工學院微系統技術實驗室的研究人員開發出了一種使用桌面型3D打印機制造高質量微電機系統(MEMS)的方法。用這種方法制造MEMS，其成本僅有市場上現有技術的百分之一，而且質量一點不差。


　　MEMS是一種非常小的技術裝置，其部件尺寸通常爲1至100微米。2014年MEMS的市場容量就已經達到了120億美元，但是這種産品的生産門檻很高。要生産MEMS，必需要用到先進的半導體制造設備，而這種設備的制造成本往往高達數千萬美元。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備的開發。

　　但是不久前MIT微系統技術實驗室的研究人員連續發表的兩篇論文表明，這些財務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台桌面設備制造的MEMS氣體傳感器性能與使用昂貴生産設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台3D打印機制造出來。

　　研究人員能夠通過去除生産工藝中最昂貴的部分，即高溫和真空環境，使上述氣體傳感器的成本降到了以前的一小部分。“我們進行的增材制造是基于低溫和無真空的。”微系統技術實驗室的首席研究科學家和兩篇論文的高級作者Luis Fernando Velásquez-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，它的生長溫度大約爲1000攝氏度。在很多情況下，反應器中還需要高真空以防止汙染。我們能夠很快地制造出這些設備，從開始到結束只需幾個小時。”

　　這種經濟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，這使它對于傳感極爲有用。“我們將這種氣體傳感器與同類的售價數百美元的商業化産品進行了直接比較。”Velásquez-García說。“我們的到的結果是，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——制造出來的産品與市場上的産品不相上下，甚至更好。”

　　實際上，研究人員最初打算使用更昂貴的電噴發射器，以常規技術來制造氣體傳感器，但是他們後來發現，有一種3D打印機也可以用于制造發射器，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性。“當我們開始設計它們的時候，可能完全沒有概念。”Velásquez-García解釋說。“但一周之內，我們就有可能制造出15代的設備，其中每個設計的性能都會比以前的版本更好。”

　　盡管這項研究顯示了3D打印技術在MEMS制造方面的優勢，但是學者們在宣傳這條好消息時還是非常謹慎的。“當然，這篇論文開辟了制造氣體微傳感器的全新技術路徑。”波蘭Wroclaw技術大學微工程系負責人Jan Dziuban說：“從技術的角度來看，這項技術很容易用于大規模制造。但是這一結果需要進行統計證明。個人經驗告訴我，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，但是最終並沒有出現可靠的産品。”