熱導(dǎo)測量的石墨烯氧化物氣體感測器光學(xué)顯微鏡影像。左上角插件顯示感測器主動區(qū)域的特寫

當(dāng)今的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)所使用的量產(chǎn)制造技術(shù)仰賴昂貴的半導(dǎo)體微影設(shè)備。因此，晶片的生產(chǎn)通常需要存在一個相當(dāng)大的市場，才足以涵蓋某種特定元件的生產(chǎn)成本要求，以及實現(xiàn)商品化的可能性。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)微系統(tǒng)技術(shù)研究室(MicrosystemsTechnologiesLaboratories)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(chǎn)的元件實現(xiàn)簡單的客制化，同時還利用一種桌上型的3D列印晶圓廠，為制造商提供一種全新的替代路徑。

這種制造MEMS的新途徑能夠?qū)崿F(xiàn)一些數(shù)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(tǒng)制程從IP到終端產(chǎn)品的完整開發(fā)與成本。

MIT研究人員的元件制造方式回避了導(dǎo)致傳統(tǒng)MEMS制造成本變得昂貴的許多必要條件。

“我們所使用的積層制造技術(shù)是以低溫與無真空條件為基礎(chǔ)，”MIT微系統(tǒng)技術(shù)研究室首席研究科學(xué)家LuisFernandoVelasquez-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(yīng)器需要較高的真空，才能避免污染。但我們快速地進(jìn)行制造，所發(fā)布的晶片從開始到完成只需要幾個小時的制造時間�！�

實際的制造技術(shù)取決于所使用的密集發(fā)射器陣列，在受到強(qiáng)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EdwardsVacuum的客座研究人員Velasquez-Garcia與AnthonyTaylor使用了所謂的“內(nèi)部供電發(fā)射器”。

這種帶有圓柱狀孔徑的發(fā)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，在矽基板上噴涂預(yù)設(shè)的圖案。流體迅速蒸發(fā)后，留下僅數(shù)十奈米厚的石墨烯氧化物薄片涂層。由于該薄片十分輕薄，在與氣體分子相互作用后，以可測量的方式改變其電阻值，使其可用于檢測。

根據(jù)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(chǎn)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(fā)射器是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造所打造的。而在其于《微機(jī)電系統(tǒng)》(JournalofMicroelectromechanicalSystems)12月刊中發(fā)表的第二次研究中，Velasquez-Garcia使用經(jīng)濟(jì)實惠的高品質(zhì)3D列印機(jī)來生產(chǎn)塑料電噴灑發(fā)射器，其尺寸與性能更符合可實現(xiàn)氣體感測器的發(fā)射器。

利用3D列印打造低成本MEMS

圖中的發(fā)射器是49個發(fā)射器陣列中的一部份。由于采用層疊制造，使得發(fā)射器外部的扇形清楚可見 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(shù)還使其可為特定應(yīng)用客制元件，幾需幾天就能將微噴嘴更新至下一代。

事實上，他們還可以在其客制的桌上型MEMS晶圓廠打造出新的MEMS元件。另一項較大的優(yōu)勢在于其低溫制程讓感測器設(shè)計人員能夠沉積出一些無法相容于高溫半導(dǎo)體制程的材料，例如具有某些特性的生物分子。

這項新的制造技術(shù)能夠為MEMS開啟新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時讓更多的IP實現(xiàn)可行的商用產(chǎn)品�！霸谀承┣闆r下，MEMS制造商必須在他們想制造的產(chǎn)品以及微加工技術(shù)的要求之間取得某種折衷與妥協(xié)，”Velasquez-Garcia解釋說，“因為只有少量的元件適合大量市場的條件�！�

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