北郵多家機構聯(lián)合綜述：3D 打印在微納米器件制造中日益擴大的作用

2025年5月24日，南極熊獲悉，北京郵電大學、中國電子科技集團公司第54研究所（CETC 54 ）、中山大學、深圳大學和電子科技大學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如何達到亞微米級精度，從而能夠生產此前只能在傳統(tǒng)潔凈室中制造的設備。

相關論文鏈接：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) 等高分辨率技術目前正被用于創(chuàng)建特征尺寸小至 100 納米的結構。這些技術對生物醫(yī)學傳感器、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)具有廣泛的應用。

△3D打印在微電子和微流體器件制造中的應用概述。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：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 支撐結構的納米級特征�；�于噴墨的材料噴射和直接墨水書寫 (DIW) 可實現(xiàn)導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力最小的大體積結構。

熔融沉積成型是一種材料擠壓技術，因其成本低且與熱塑性塑料兼容而持續(xù)被廣泛應用。盡管分辨率有限，但在軟光刻技術中構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 和傳感領域的3D 打印

增材制造如今已廣泛應用于制造微傳感器、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工藝生產微加速度計的懸臂支架，并通過蒸發(fā)涂覆導電材料。這些示例展示了增材制造技術如何制造具有高幾何復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)的微加工技術相結合。例如，采用2PP打印的螺旋結構將液態(tài)金屬容納在電熱執(zhí)行器中。此外，還采用FDM打印MEMS開關，將導電PLA和聚乙烯醇結合作為犧牲層。然而，實現(xiàn)開關元件所需的機械精度仍然是實現(xiàn)完全集成應用的障礙。

△3D打印材料及制備方法。圖片來自Springer Nature。

功能性油墨及復合材料的開發(fā)

微電子應用依賴于具有特定電氣、機械或化學特性的可打印材料的可用性。基于 MXene 的導電油墨、金屬顆粒懸浮液和壓電復合材料正在優(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電性和高拉伸強度的復合水凝膠，可用于柔性生物傳感應用。

PEDOT:PSS 是一種常見的導電聚合物，它通過凍干法和在光固化基質中的再分散，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。多光子光刻技術也已應用于從有機半導體樹脂打印復雜的 3D 結構。

生物電子應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。如今，增材制造技術提供了替代方案，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。這些技術與PDMS兼容，并減少了對光刻設備的依賴。

表面粗糙度和光學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對模具進行化學處理來改善脫模特性來解決這些問題。

微型設備的集成和未來方向

△生物學和化學中的 3D 打印微流體裝置。圖片來自 Springer Nature。

3D打印正日益將結構、電氣和傳感組件集成到單一構建流程中。多材料打印機開始同時生產基板、導電路徑和介電層，盡管組件嵌入仍然需要人工干預。

可穿戴電子設備、柔性傳感器和軟體機器人領域的應用不斷擴展。打印在彈性背襯上的可拉伸導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)行器領域占據(jù)主導地位。目前，增材制造方法更適合生產 MEMS 系統(tǒng)內的封裝、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變?yōu)槲⑾到y(tǒng)設計和生產中的核心角色。

△3D打印微納米器件。圖片來自Springer Nature。