德國科學家利用增材制造工藝印刷制造壓電MEMS揚聲器

在增材制造工藝中，結(jié)合噴墨印刷和激光加工技術(shù)可以經(jīng)濟高效地印刷制造微型壓電MEMS揚聲器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT)、亞琛工業(yè)大學(RWTH Aachen University)電氣工程材料研究所(IWE2)和弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所(ISIT)的科學家們研究證實，可以在增材制造工藝中，結(jié)合噴墨打印和激光加工技術(shù)，經(jīng)濟高效地印刷制造壓電MEMS揚聲器。作為最近完成的由德國聯(lián)邦教育與研究部(BMBF)資助的聯(lián)合項目——“高效壓電MEMS執(zhí)行器制造(GENERATOR)”的一部分，他們成功制造了一款演示組件。

通過噴墨印刷將技術(shù)結(jié)構(gòu)及幾何形狀印刷到晶圓上，再利用激光結(jié)晶實現(xiàn)功能化，然后將各個MEMS揚聲器元件分離并集成到電子系統(tǒng)中。

壓電MEMS是一種真正的全能型技術(shù)，超薄壓電層可以實現(xiàn)微型執(zhí)行器或傳感器的完整功能，它可以在施加電場時形變，或?qū)C械運動轉(zhuǎn)化為電壓。因此，它們可以應用于通信或醫(yī)療等廣泛領域，例如，作為泵、閥門或揚聲器中的傳感器或執(zhí)行器，并實現(xiàn)微型化。

這種壓電薄膜層通常采用鋯鈦酸鉛(PZT)制成，PZT是目前功能最強大的壓電陶瓷材料之一。優(yōu)選采用厚度為數(shù)微米的壓電層，可以通過蝕刻或直接印刷非常精確地構(gòu)造。

激光輔助印刷替代傳統(tǒng)高真空鍍膜

目前，通常采用傳統(tǒng)的真空和掩模制造方法制造壓電MEMS，但是這些方法非常耗時且成本高昂，尤其是對于小批量制造來說。作為“GENERATOR”項目的一部分，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(ILT)、亞琛工業(yè)大學電氣工程材料研究所(IWE2)和弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所(ISIT)開發(fā)了一種結(jié)合數(shù)字噴墨印刷和激光結(jié)晶技術(shù)的可替代方案：首先將PZT特殊油墨印刷到8英寸硅晶圓上，然后通過激光輻射在700℃以上的局部溫度下進行結(jié)晶。過程中，通過溫度波動控制(±5℃)確保質(zhì)量。

研究團隊制造的低成本六邊形微型壓電MEMS揚聲器，證明采用噴墨印刷和激光結(jié)晶技術(shù)可以在幾秒鐘內(nèi)高效生產(chǎn)壓電MEMS執(zhí)行器

多層材料堆棧趨勢

用多層20~30 nm的PZT薄層構(gòu)建總厚度為2~3 μm的壓電執(zhí)行器。

Fraunhofer ILT科學家Samuel Fink解釋說：“最初我們只應用了一層，現(xiàn)在我們可以逐層構(gòu)建多層材料堆棧?！?/p>

例如，可以相互疊加多層功能陶瓷和電極，形成一個總共30層的微型壓電MEMS揚聲器。通過這種設計，據(jù)稱可以提供相比傳統(tǒng)執(zhí)行器更好的性能和更高的再現(xiàn)品質(zhì)。

科學家們采用導電陶瓷鎳酸鑭(LNO)作為電極材料，而不是通常非常昂貴的鉑。PZT層和電極層像兩把非常細的梳子一樣互嵌結(jié)合?？焖俚募す馓幚泶蠓鶞p少了每層的處理時間，從幾分鐘減少到幾秒鐘。

通過省去貴金屬組件，可以顯著提高這種純陶瓷多材料堆棧的耐久性，同時降低材料成本。

對這種多層材料堆棧施加交流電壓，PZT層會在幾分之一秒內(nèi)形變，從而激發(fā)整個疊層振動。由于整個系統(tǒng)只有幾微米厚，因此質(zhì)量非常小，可以很好地傳輸聲音信號，特別是高頻聲音。

Fraunhofer ILT薄膜處理研究組負責人Christian Vedder博士說：“這種制造方法的優(yōu)勢在于數(shù)字控制的噴墨印刷和激光工藝，可以在不增加掩?；蛟O備成本的情況下，對制造層進行即時設計修改，因此，也可以用于小批量生產(chǎn)?！?/p>

中小企業(yè)的機遇

制造薄膜電子器件的傳統(tǒng)系統(tǒng)成本高達數(shù)百萬歐元，因而僅對于大規(guī)模生產(chǎn)來說才有經(jīng)濟意義。因此，對于小批量生產(chǎn)，尤其是微型揚聲器等包含多層結(jié)構(gòu)的器件，增材混合制造工藝正變得更有吸引力。因此，這種工藝特別適合中小型企業(yè)，因為它們對系統(tǒng)技術(shù)的投入顯然大大低于傳統(tǒng)技術(shù)。

可以更容易，用玻璃替代硅

到目前為止，該工藝一直用于硅基板的噴墨印刷，需要經(jīng)過相對復雜的后處理構(gòu)建多層堆棧系統(tǒng)，以制造可以使用的壓電MEMS組件。然而，這種基于激光的制造工藝特性，使其也可以應用于其他基板，例如超薄玻璃，這一優(yōu)勢可以進一步簡化生產(chǎn)，開辟更廣泛的潛在應用領域。

“在這個項目中，除了工藝開發(fā)外，對于毫秒范圍內(nèi)的陶瓷激光結(jié)晶的基本機制，我們也有望獲得非常令人興奮的研究成果?！盕ink在展望未來時說，“新的可能性正在這里出現(xiàn)，我個人對此非常感興趣，有望很快將其轉(zhuǎn)移到其他的材料和應用領域。”