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MIT研究人員用3D列印降低MEMS製造成本

上網時間: 2016年01月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MEMS  3D列印  發射器  石墨烯  氣體感測器 

當今的微機電系統(MEMS)所使用的量產製造技術仰賴昂貴的半導體微影設備。因此,晶片的生產通常需要存在一個相當大的市場,才足以涵蓋某種特定元件的生產成本要求,以及實現商品化的可能性。

美國麻省理工學院(MIT)微系統技術研究室(Microsystems Technologies Laboratories)的研究人員日前展示幾種能以低成本打造MEMS的新方法,不僅可讓所生產的元件實現簡單的客製化,同時還利用一種桌上型的3D列印晶圓廠,為製造商提供一種全新的替代路徑。

這種製造MEMS的新途徑能夠實現一些數量較小的新感測器與元件;這些元件通常無法找到夠大的市場為其涵蓋使用傳統製程從IP到終端產品的完整開發與成本。

MIT研究人員的元件製造方式迴避了導致傳統MEMS製造成本變得昂貴的許多必要條件。

「我們所使用的積層製造技術是以低溫與無真空條件為基礎,」MIT微系統技術研究室首席研究科學家Luis Fernando Velasquez-Garcia表示,「我們所使用的最高溫度約為60℃。在晶片中,你或許得生長氧化物,但其生長條件大約要1,000℃。而在許多情況下,反應器需要較高的真空,才能避免污染。但我們快速地進行製造,所發佈的晶片從開始到完成只需要幾個小時的製造時間。」

實際的製造技術取決於所使用的密集發射器陣列,在受到強大的電場時噴灑出微流體。為了打造氣體感測器,來自英國公司Edwards Vacuum的客座研究人員Velasquez-Garcia與Anthony Taylor使用了所謂的「內部供電發射器」。

這種帶有圓柱狀孔徑的發射器可讓流體通過。研究人員們利用含有微小石墨烯氧化物薄片的流體,在矽基板上噴塗預設的圖案。流體迅速蒸發後,留下僅數十奈米厚的石墨烯氧化物薄片塗層。由於該薄片十分輕薄,在與氣體分子相互作用後,以可測量的方式改變其電阻值,使其可用於檢測。

根據Velasquez-Garcia表示,所取得的氣體感測器在精確度方面可媲美幾百美元的昂貴商用產品,而且它的速度還更快,只需幾美分即可打造出來。

在研究人員首次建置時,Velasquez-Garcia 和Taylor所使用的電噴灑發射器是利用傳統半導體製造所打造的。而在其於《微機電系統》(Journal of Microelectromechanical Systems)12月刊中發表的第二次研究中,Velasquez-Garcia使用經濟實惠的高品質3D列印機來生產塑料電噴灑發射器,其尺寸與性能更符合可實現氣體感測器的發射器。


圖中的發射器是49個發射器陣列中的一部份。由於採用層疊製造,使得發射器外部的扇形清楚可見
(來源:MIT)

研究人員不僅能夠使這些電噴灑元件更具成本效益,3D列印技術還使其可為特定應用客製元件,幾需幾天就能將微噴嘴更新至下一代。

事實上,他們還可以在其客製的桌上型MEMS晶圓廠打造出新的MEMS元件。另一項較大的優勢在於其低溫製程讓感測器設計人員能夠沉積出一些無法相容於高溫半導體製程的材料,例如具有某些特性的生物分子。

這項新的製造技術能夠為MEMS開啟新的應用領域,同時讓更多的IP實現可行的商用產品。「在某些情況下,MEMS製造商必須在他們想製造的產品以及微加工技術的要求之間取得某種折衷與妥協,」Velasquez-Garcia解釋說,「因為只有少量的元件適合大量市場的條件。」


已佈線的完整石墨烯氧化物氣體感測器晶片。石墨烯氧化物薄膜圖中覆蓋電極結構的綠點
(來源:Anthony Taylor與Luis F Velasquez-Garcia)


熱導測量的石墨烯氧化物氣體感測器光學顯微鏡影像。左上角插件顯示感測器主動區域的特寫
(來源:Anthony Taylor與Luis F Velasquez-Garcia)

編譯:Susan Hong

(參考原文:MEMS fabrication on the cheap,by Julien Happich)





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