卡內基梅隆研究人員利用雙光子聚合（2PP）3D打印柔性微機電系統
時間：2024-09-01 09:09 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年8月31日，卡內基梅隆大學的研究人員利用雙光子聚合（2PP）3D打印技術和柔性印刷電路板（FPCB），開發出了一種小型、輕便且靈活的微系統，該系統配備了靜電微執行器。
研究人員展示了這些系統在可移動微鏡陣列中的應用，盡管在變形時，系統依然展現出高精度的控制能力。挑戰在于將金屬濺射集成到制造過程中，以激活微機電系統（MEMS）中的導電3D結構。由于FPCB的靈活性、不平整的表面以及材料的可變反射率，在FPCB上進行打印是一項特別復雜的任務。這項創新為自適應光學和可穿戴設備的應用開辟了新的前景。
技術研發背景
MEMS由于體積小、精度高且能有效集成到電子系統中，已被廣泛應用于智能手機、平板電腦、游戲設備及虛擬現實應用中的加速度計、陀螺儀和磁力計等。此外，它們也被用于可穿戴設備中的傳感器。由于能夠在各種基材上制造出高精度的復雜微尺度設計，基于2PP的 3D打印技術成為MEMS制造的首選，無需多個組裝步驟。
盡管在玻璃載玻片或硅片等剛性基板上進行3D打印相對簡單，但在FPCB上打印卻面臨巨大挑戰，因為FPCB表面既靈活又不平坦，并由不同高度的材料（如聚酰胺和銅）構成。這使得準確找到界面并打印邊界層變得困難重重。
2PP技術在FPCB上實現高性能微系統與微鏡陣列
在柔性基板上集成微執行器面臨諸多挑戰，特別是在變形情況下保持功能性。卡內基梅隆大學的研究人員利用Nanoscribe的2PP 3D打印技術解決了這些問題。他們的方法能夠在現成的FPCB上精確制造靜電微執行器，最終實現了一個堅固且高性能的柔性微系統，即使在顯著變形情況下也能保持驅動能力。這一能力在柔性微鏡陣列中尤為突出，執行器可以精確控制鏡子運動以改變反射光的方向。通過在制造過程中利用自動化3D打印技術，可以在大面積上快速制造和集成大量微鏡。在這個研究項目中，已經成功展示了一個3×9微鏡陣列。
克服柔性電路板3D打印微執行器的挑戰
由于柔性印刷電路板（FPCB）的基板非平整，包括多種材料如聚酰胺和銅，3D打印在這種基板上尤為具有挑戰性。研究人員開發了一種制造策略，能夠在柔性基板的預制非平面表面上成功3D打印微執行器。尤其是，銅跡線和其它結構的高度不一致增加了難度，但通過定制緩沖層，這一挑戰得到了有效解決。
不同的反射率對打印表面的識別提出了挑戰。此外，為確保MEMS結構的牢固安裝，還需要解決FPCB結構的粘附特性問題。在電氣集成方面，3D打印微執行器要求在手動對準的3D打印和金屬沉積步驟中保持高精度。
總的來說，研究人員成功證明了FPCB非常適合用作高精度和高控制的MEMS平臺。其它類型的微執行器（如熱彈性體或液晶彈性體）以及各種電連接MEMS傳感器（如新型電容式傳感架構）也可以集成。借助FPCB通過嵌入式金屬層的集成能力，帶有板載電子設備的柔性微系統可以為具有電源和控制自主性的智能柔性微系統鋪平道路。
研究人員展示了這些系統在可移動微鏡陣列中的應用，盡管在變形時，系統依然展現出高精度的控制能力。挑戰在于將金屬濺射集成到制造過程中，以激活微機電系統（MEMS）中的導電3D結構。由于FPCB的靈活性、不平整的表面以及材料的可變反射率，在FPCB上進行打印是一項特別復雜的任務。這項創新為自適應光學和可穿戴設備的應用開辟了新的前景。
△集成2×2微鏡陣列的柔性印刷電路板 (FPCB) 示意圖。為了展示FPCB的靈活性和集成能力，在彎曲的基板上彎曲FPCB時對微鏡進行了測試
技術研發背景
MEMS由于體積小、精度高且能有效集成到電子系統中，已被廣泛應用于智能手機、平板電腦、游戲設備及虛擬現實應用中的加速度計、陀螺儀和磁力計等。此外，它們也被用于可穿戴設備中的傳感器。由于能夠在各種基材上制造出高精度的復雜微尺度設計，基于2PP的 3D打印技術成為MEMS制造的首選，無需多個組裝步驟。
盡管在玻璃載玻片或硅片等剛性基板上進行3D打印相對簡單，但在FPCB上打印卻面臨巨大挑戰，因為FPCB表面既靈活又不平坦，并由不同高度的材料（如聚酰胺和銅）構成。這使得準確找到界面并打印邊界層變得困難重重。
△制造帶有集成微鏡的柔性印刷電路板 (FPCB)。A)使用SU-8作為臨時粘合劑將FPCB連接到玻璃基板上。B) 使用2PP將3D結構直接3D打印到FPCB 上。C)打印的結構上濺射鋁涂層。D)電子元件通過嵌入在FPCB中的銅跡線安裝并連接到執行器
2PP技術在FPCB上實現高性能微系統與微鏡陣列
在柔性基板上集成微執行器面臨諸多挑戰，特別是在變形情況下保持功能性。卡內基梅隆大學的研究人員利用Nanoscribe的2PP 3D打印技術解決了這些問題。他們的方法能夠在現成的FPCB上精確制造靜電微執行器，最終實現了一個堅固且高性能的柔性微系統，即使在顯著變形情況下也能保持驅動能力。這一能力在柔性微鏡陣列中尤為突出，執行器可以精確控制鏡子運動以改變反射光的方向。通過在制造過程中利用自動化3D打印技術，可以在大面積上快速制造和集成大量微鏡。在這個研究項目中，已經成功展示了一個3×9微鏡陣列。
△每個微鏡由靜電致動器驅動。結果是一個復雜的微機電系統 (MEMS)，可以使用雙光子聚合 (2PP) 進行3D打印。平面和方形微鏡用可移動梳子打印，因此當電壓施加到致動器時，反射光的方向會發生變化
克服柔性電路板3D打印微執行器的挑戰
由于柔性印刷電路板（FPCB）的基板非平整，包括多種材料如聚酰胺和銅，3D打印在這種基板上尤為具有挑戰性。研究人員開發了一種制造策略，能夠在柔性基板的預制非平面表面上成功3D打印微執行器。尤其是，銅跡線和其它結構的高度不一致增加了難度，但通過定制緩沖層，這一挑戰得到了有效解決。
不同的反射率對打印表面的識別提出了挑戰。此外，為確保MEMS結構的牢固安裝，還需要解決FPCB結構的粘附特性問題。在電氣集成方面，3D打印微執行器要求在手動對準的3D打印和金屬沉積步驟中保持高精度。
總的來說，研究人員成功證明了FPCB非常適合用作高精度和高控制的MEMS平臺。其它類型的微執行器（如熱彈性體或液晶彈性體）以及各種電連接MEMS傳感器（如新型電容式傳感架構）也可以集成。借助FPCB通過嵌入式金屬層的集成能力，帶有板載電子設備的柔性微系統可以為具有電源和控制自主性的智能柔性微系統鋪平道路。
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