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里程碑!Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器

时间:2021-01-24 09:26 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:

     Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器,而且价格低廉,这创造了小批量压电MEMS的经济性生产可行性。

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通过喷墨印刷将任何几何形状的技术结构应用于晶片,并且通过激光辐射进行功能化。然后将各个扬声器元件分离并集成到电子环境中。©Fraunhofer ILT,亚琛

小批量制造技术的范式转移

block 数字化制造提高稳定性

      根据科技信息中心,压电MEMS通过单片即可实现微执行、能量收集、传感和无线通信,是应用潜力巨大的热点技术。压电MEMS微执行器能够精确、自主地执行复杂动作如直线、旋转、加速度、钳动等,以此完成对极微小器件与结构的纳米尺度精确操作。

     压电MEMS微执行器不但能够满足集成微系统(IMS)对自测试性、微定位性和片上操控性的严苛要求,同时能够满足集成微系统对输出力矩/体积效能比、响应速度、分辨率、功耗、集成度方面的需求。

      位于德国伊策霍的Fraunhofer ISIT弗劳恩霍夫硅研究所携手位于德国亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器,这个压电MEMS有六个角,大约只有1美分的大小。

       这个项目是弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT,亚琛工业大学电气工程材料研究所(IWE2)和弗劳恩霍夫硅技术研究所ISIT的合作结果,是BMBF德国联邦教育及研究部支持的“用于微致动器的高效压电MEMS的生产制造(GENERATOR)”的一部分。

Fraunhofer ILT_2六角形,纤巧,便宜。亚琛工业大学,Fraunhofer ILT,Fraunhofer ISIT合作开发的微型扬声器证明,使用喷墨打印机和激光可以在几秒钟内生产出微致动器,而且价格低廉。©Fraunhofer ILT,亚琛

压电MEMS是真正的技术全能产品,因为超薄压电层既可以执行执行器功能,也可以执行传感功能:施加电场时它们会膨胀,或者将机械运动转换成电压。因此,它们在通信或医疗技术中是神奇的存在,例如,作为泵、阀或扬声器中的传感器或致动器。

压电MEMS薄膜通常由锆钛酸铅(PZT)制成,目前是最强大的压电功能陶瓷。厚度为几μm的压电层可以通过蚀刻或直接印刷而非常精确地构造。

block 激光辅助印刷工艺可替代传统的高真空涂层

      到目前为止,压电MEMS的生产使用传统的基于真空和掩模的制造方法,但是这些方法非常耗时且成本高昂,特别是在小批量生产中。

作为德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的GENERATOR项目的一部分,弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhoer ILT、亚琛工业大学,以及弗劳恩霍夫Fraunhofer ISIT硅研究所共同开发了数字喷墨打印和激光结晶的工艺组合,成为传统制造工艺有利的替代方案。

在将PZT锆钛酸铅特殊油墨应用于8英寸硅晶片之后,通过局部温度超过700°C的激光辐射进行结晶,通过控制温度的激光束确保质量。温度控制过程,可将温度波动限制在±5°C以内。

block 多材料堆叠趋势

     由几层20至30 nm的薄PZT锆钛酸层构成总厚度为2至3 µm的多层致动器。根据3D科学谷的进一步了解,科学家们最初只应用了一个单层,然后尝试逐层创建多材料堆栈,最终实现了总共多达30层功能陶瓷和电极彼此叠置的复杂结构。

    由于采用了这种设计,增材制造的执行器比常规执行器具有更好的性能和更高的再现质量。PZT层和电极层像两个非常细的梳子一样互锁。层的快速激光处理将每层的处理时间减少了几秒钟,而原本需要几分钟的处理时间仅为几秒钟。

    此外,为了代替普通且非常昂贵的铂,科学家使用导电陶瓷镧镍氧化物(LNO)作为电极材料。通过省去金属部件,可以显着提高这些纯陶瓷多材料叠层的耐用性,同时降低材料成本。

     如果现在将交流电压施加到此多材料堆栈上,则PZT层会在几分之一秒内变形,从而激发整个堆栈振动。由于整个系统只有几微米厚,因此可以以这种方式出色地传输声音信号,尤其是在高频范围内。

       这种制造方法的优点在于可数字控制的印刷和激光工艺,这些工艺允许对制造的层进行即时设计更改,而无需支付掩模或工具的额外费用,从而也可以生产小批量的产品。

这种制造方法为中小企业开辟了进军高端薄膜电子产品的发展机会,3D科学谷了解到用于制造薄膜电子产品的常规系统要花费数百万欧元,因此仅对于大规模生产而言才值得。对于较小的批量,增材制造过程变得很有趣,尤其是当组件由诸如微型扬声器的几层组成时。

     因此,弗劳恩霍夫研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器特别适合中小型企业,因为与常规技术相比,对系统技术的投资明显便宜。用户需要适当的印刷和激光系统技术,以及经过特殊改装的PZT和LNO墨水。在即使很小的工作场所也可以在将来为微型执行器建立小规模的生产。

到目前为止,该方法采用的是涂覆硅基底,设置好多堆叠系统后,这些基板仍必须进行相对复杂的后处理才能生产出可以使用的组件。但是,基于激光的制造工艺的特性意味着也可以考虑使用其他衬底(例如超薄玻璃),这将进一步简化生产并开拓广泛的可能应用。

在该项目的过程中,除了工艺开发之外,3D科学谷了解到科学家们还能够在毫秒范围内对陶瓷的激光结晶基本机理产生令人兴奋的结果。这里出现了引起人们极大兴趣的新可能性。或许很快会转移到其他材料上,从而转移到其他应用领域。

block 制造与创新相互耦合

     《德国的七个秘密》一书指出Fraunhofer使得制造与创新相互耦合,而美国没有可以匹敌弗劳恩霍夫的机构。弗劳恩霍夫研究所侧重应用研究,目标是提供有商业价值的解决方案,在基础研究与商业化之间架设了一座桥梁。

(责任编辑:中国3D打印网)

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