北郵多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合綜述：3D 打印在微納米器件制造中日益擴(kuò)大的作用

2025年5月24日，南極熊獲悉，北京郵電大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)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(xiě)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(jìn)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(diǎn)介紹了增材制造技術(shù)如何達(dá)到亞微米級(jí)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(dòng)力噴射打印和計(jì)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(duì)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(cè)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(lái)自Springer Nature。

高精度增材工藝的分類

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(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(xì)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(jí)特征。基于噴墨的材料噴射和直接墨水書(shū)寫(xiě) (DIW) 可實(shí)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(guò)將粘合劑噴涂到粉末狀基材上進(jìn)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(jī)械支撐或犧牲模具仍然十分實(shí)用。

△各種微尺度3D打印策略。圖片來(lái)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(jī)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(fèi)，并且無(wú)需使用掩模版或蝕刻步驟。

在本綜述中引用的一個(gè)示例中，柔性多向傳感器使用定制的FDM平臺(tái)直接打印在類似皮膚的基底上。另一個(gè)案例涉及通過(guò)2PP工藝生產(chǎn)微加速度計(jì)的懸臂支架，并通過(guò)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(kāi)關(guān)，將導(dǎo)電PLA和聚乙烯醇結(jié)合作為犧牲層。然而，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件所需的機(jī)械精度仍然是實(shí)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(lái)自Springer Nature。

功能性油墨及復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)

微電子應(yīng)用依賴于具有特定電氣、機(jī)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(tái)。

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(duì)稱微型超級(jí)電容器。這些器件展現(xiàn)出更高的電壓窗口（高達(dá)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(qiáng)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(jiàn)的導(dǎo)電聚合物，它通過(guò)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(jī)半導(dǎo)體樹(shù)脂打印復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。

生物電子應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì)能夠在潮濕和動(dòng)態(tài)環(huán)境中可靠運(yùn)行的生物相容性墨水的需求。一個(gè)研究小組將石墨烯納米片和碳納米管融入墨水中，進(jìn)行多噴射融合，從而生產(chǎn)出具有高機(jī)械耐久性和信號(hào)靈敏度的壓力傳感器。

△通過(guò)將活性引發(fā)劑集成到打印材料中實(shí)現(xiàn)的3D打印電子產(chǎn)品。圖片來(lái)自Springer Nature。

通過(guò)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(guò)直接打印流體芯片，也可以使用 3D 打印模具進(jìn)行間接制造。

使用 SLA、DLP 或噴墨系統(tǒng)進(jìn)行直接制造，可以快速制作集成儲(chǔ)液器和通道的芯片原型。然而，要實(shí)現(xiàn)小于 100 微米的通道需要仔細(xì)校準(zhǔn)。一個(gè)研究小組使用定制的 DLP 打印機(jī)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(jìn)行鑄造和脫模。通常使用PLA、ABS和樹(shù)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(duì)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(gè)問(wèn)題。FDM打印的模具經(jīng)常會(huì)引入分層偽影，而SLA方法中未固化的樹(shù)脂可能會(huì)滲出毒素或抑制PDMS固化。一些團(tuán)隊(duì)通過(guò)在打印后拋光表面或?qū)δ＞哌M(jìn)行化學(xué)處理來(lái)改善脫模特性來(lái)解決這些問(wèn)題。

微型設(shè)備的集成和未來(lái)方向

△生物學(xué)和化學(xué)中的 3D 打印微流體裝置。圖片來(lái)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(jī)開(kāi)始同時(shí)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(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)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(jī)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(jī)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(lái)生產(chǎn)微電容器和加速度計(jì)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(cè)微觀環(huán)境中的熱和磁波動(dòng)。

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(jì)和生產(chǎn)中的核心角色。

△3D打印微納米器件。圖片來(lái)自Springer Nature。