北郵多家機構(gòu)聯(lián)合綜述：3D打印在微納米器件制造中日益擴大的作用
時間：2025-05-25 10:03 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年5月24日，北京郵電大學(xué)、中國電子科技集團公司第54研究所（CETC 54 ）、中山大學(xué)、深圳大學(xué)和電子科技大學(xué)的研究人員近期共同撰寫了一篇新綜述，探討了3D打印在微電子和微流體應(yīng)用方面的最新進展。
這篇發(fā)表在Springer Nature Link上的題為“3D printing of micro-nano devices and their applications”論文重點介紹了增材制造技術(shù)如何達到亞微米級精度，從而能夠生產(chǎn)此前只能在傳統(tǒng)潔凈室中制造的設(shè)備。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00812-3
雙光子聚合 (2PP)、電流體動力噴射打印和計算軸向光刻 (CAL) 等高分辨率技術(shù)目前正被用于創(chuàng)建特征尺寸小至 100 納米的結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)對生物醫(yī)學(xué)傳感器、柔性電子器件以及用于診斷和環(huán)境監(jiān)測的微流體系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用。
△3D打印在微電子和微流體器件制造中的應(yīng)用概述。圖片來自Springer Nature。
高精度增材工藝的分類
美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)定義的七種增材制造類別是現(xiàn)代 3D 打印工作流程的基礎(chǔ)：粘合劑噴射、定向能量沉積 (DED)、材料擠出 (MEX)、材料噴射、粉末床熔合 (PBF)、片材層壓 (SHL) 和大桶光聚合 (VP)。其中，2PP 提供最精細的分辨率，可用于制造光通信元件和 MEMS 支撐結(jié)構(gòu)的納米級特征。基于噴墨的材料噴射和直接墨水書寫 (DIW) 可實現(xiàn)導(dǎo)電或生物材料的圖案化沉積，包括可拉伸凝膠和離子聚合物。粘合劑噴射技術(shù)通過將粘合劑噴涂到粉末狀基材上進行操作，特別適用于使用金屬或陶瓷且熱應(yīng)力最小的大體積結(jié)構(gòu)。
熔融沉積成型是一種材料擠壓技術(shù)，因其成本低且與熱塑性塑料兼容而持續(xù)被廣泛應(yīng)用。盡管分辨率有限，但在軟光刻技術(shù)中構(gòu)建機械支撐或犧牲模具仍然十分實用。
△各種微尺度3D打印策略。圖片來自Springer Nature。
微電子、MEMS 和傳感領(lǐng)域的3D 打印
增材制造如今已廣泛應(yīng)用于制造微傳感器、微機電系統(tǒng) (MEMS) 執(zhí)行器和柔性電子產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的光刻工藝相比，3D 打印減少了材料浪費，并且無需使用掩模版或蝕刻步驟。
在本綜述中引用的一個示例中，柔性多向傳感器使用定制的FDM平臺直接打印在類似皮膚的基底上。另一個案例涉及通過2PP工藝生產(chǎn)微加速度計的懸臂支架，并通過蒸發(fā)涂覆導(dǎo)電材料。這些示例展示了增材制造技術(shù)如何制造具有高幾何復(fù)雜度的支撐層和功能層。
采用增材制造方法制造的MEMS執(zhí)行器通常將打印支架與傳統(tǒng)的微加工技術(shù)相結(jié)合。例如，采用2PP打印的螺旋結(jié)構(gòu)將液態(tài)金屬容納在電熱執(zhí)行器中。此外，還采用FDM打印MEMS開關(guān)，將導(dǎo)電PLA和聚乙烯醇結(jié)合作為犧牲層。然而，實現(xiàn)開關(guān)元件所需的機械精度仍然是實現(xiàn)完全集成應(yīng)用的障礙。
△3D打印材料及制備方法。圖片來自Springer Nature。
功能性油墨及復(fù)合材料的開發(fā)
微電子應(yīng)用依賴于具有特定電氣、機械或化學(xué)特性的可打印材料的可用性。基于 MXene 的導(dǎo)電油墨、金屬顆粒懸浮液和壓電復(fù)合材料正在優(yōu)化，以用于 DIW、噴墨和光固化平臺。
研究人員利用硫化鎳油墨在氮摻雜的MXene上制備了平面非對稱微型超級電容器。這些器件展現(xiàn)出更高的電壓窗口（高達1.5 V）和更大的體積電容，滿足緊湊型電源系統(tǒng)的需求。其他研究涉及具有離子導(dǎo)電性和高拉伸強度的復(fù)合水凝膠，可用于柔性生物傳感應(yīng)用。
PEDOT:PSS 是一種常見的導(dǎo)電聚合物，它通過凍干法和在光固化基質(zhì)中的再分散，被配制成高分辨率墨水。這些配方可用于創(chuàng)建神經(jīng)探針和柔性電路的電極陣列。多光子光刻技術(shù)也已應(yīng)用于從有機半導(dǎo)體樹脂打印復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。
生物電子應(yīng)用正在推動對能夠在潮濕和動態(tài)環(huán)境中可靠運行的生物相容性墨水的需求。一個研究小組將石墨烯納米片和碳納米管融入墨水中，進行多噴射融合，從而生產(chǎn)出具有高機械耐久性和信號靈敏度的壓力傳感器。
△通過將活性引發(fā)劑集成到打印材料中實現(xiàn)的3D打印電子產(chǎn)品。圖片來自Springer Nature。
通過直接和間接方法制造的微流體裝置
微流體系統(tǒng)傳統(tǒng)上依賴于使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 的軟光刻技術(shù)。如今，增材制造技術(shù)提供了替代方案，既可以通過直接打印流體芯片，也可以使用 3D 打印模具進行間接制造。
使用 SLA、DLP 或噴墨系統(tǒng)進行直接制造，可以快速制作集成儲液器和通道的芯片原型。然而，要實現(xiàn)小于 100 微米的通道需要仔細校準。一個研究小組使用定制的 DLP 打印機演示了小至 18 微米 × 20 微米的通道。
間接制造依賴于打印犧牲性或可重復(fù)使用的模具，然后進行鑄造和脫模。通常使用PLA、ABS和樹脂基模具，具體取決于您偏好的是水溶性材料還是溶劑可溶性材料。這些技術(shù)與PDMS兼容，并減少了對光刻設(shè)備的依賴。
表面粗糙度和光學(xué)透明度仍然是一個問題。FDM打印的模具經(jīng)常會引入分層偽影，而SLA方法中未固化的樹脂可能會滲出毒素或抑制PDMS固化。一些團隊通過在打印后拋光表面或?qū)δ＞哌M行化學(xué)處理來改善脫模特性來解決這些問題。
微型設(shè)備的集成和未來方向
△生物學(xué)和化學(xué)中的 3D 打印微流體裝置。圖片來自 Springer Nature。
3D打印正日益將結(jié)構(gòu)、電氣和傳感組件集成到單一構(gòu)建流程中。多材料打印機開始同時生產(chǎn)基板、導(dǎo)電路徑和介電層，盡管組件嵌入仍然需要人工干預(yù)。
可穿戴電子設(shè)備、柔性傳感器和軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴展。打印在彈性背襯上的可拉伸導(dǎo)體正被用于模擬電子皮膚系統(tǒng)的機械感受器和熱感受器。BaTiO₃-PVDF復(fù)合材料等壓電材料正在被研究用于打印執(zhí)行器和能量收集器。
MEMS 制造仍然受到可打印材料機械性能限制的制約。硅憑借優(yōu)異的剛度和精度，繼續(xù)在高性能執(zhí)行器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，增材制造方法更適合生產(chǎn) MEMS 系統(tǒng)內(nèi)的封裝、連接器和犧牲支架。
人們正在探索利用多光子和光輔助工藝來生產(chǎn)微電容器和加速度計等有源器件。最近的研究展示了利用2PP制造基于氮空位中心的量子傳感器，該傳感器能夠探測微觀環(huán)境中的熱和磁波動。
隨著材料、分辨率和系統(tǒng)集成度的提高，3D 打印將從外圍用途轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑾到y(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)中的核心角色。
△3D打印微納米器件。圖片來自Springer Nature。
(責任編輯：admin)
金屬3D打印+AI=制造業(yè)革命
香港城市大學(xué)： 3D打印中
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技最新內(nèi)容
選區(qū)激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實驗室走向生產(chǎn)
3D打印在口腔修復(fù)熱點內(nèi)容
