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(gè)相當(dāng)大的市場(chǎng)，才足以涵蓋某種特定元件的生產(chǎn)成本要求，以及實(shí)現(xiàn)商品化的可能性。
美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)微系統(tǒng)技術(shù)研究室(Microsystems Technologies Laboratories)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的客制化，同時(shí)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(cè)器與元件；這些元件通常無(wú)法找到夠大的市場(chǎng)為其涵蓋使用傳統(tǒng)制程從IP到終端產(chǎn)品的完整開(kāi)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(wú)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Luis Fernando Velasquez-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(zhǎng)氧化物，但其生長(zhǎng)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(kāi)始到完成只需要幾個(gè)小時(shí)的制造時(shí)間?！?/p>
實(shí)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(chǎng)時(shí)噴灑出微流體。為了打造氣體感測(cè)器，來(lái)自英國(guó)公司Edwards Vacuum的客座研究人員Velasquez-Garcia與Anthony Taylor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(guò)。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(cè)量的方式改變其電阻值，使其可用于檢測(cè)。
根據(jù)Velasquez-Garcia表示，所取得的氣體感測(cè)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(lái)。
在研究人員首次建置時(shí)，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)》(Journal of Microelectromechanical Systems)12月刊中發(fā)表的第二次研究中，Velasquez-Garcia使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高品質(zhì)3D列印機(jī)來(lái)生產(chǎn)塑料電噴灑發(fā)射器，其尺寸與性能更符合可實(shí)現(xiàn)氣體感測(cè)器的發(fā)射器。
圖中的發(fā)射器是49個(gè)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(jiàn)
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(shí)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(xiàng)較大的優(yōu)勢(shì)在于其低溫制程讓感測(cè)器設(shè)計(jì)人員能夠沉積出一些無(wú)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(xiàng)新的制造技術(shù)能夠?yàn)镸EMS開(kāi)啟新的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)讓更多的IP實(shí)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(shuō)，“因?yàn)橹挥猩倭康脑m合大量市場(chǎng)的條件?！?/p>
已布線的完整石墨烯氧化物氣體感測(cè)器晶片。石墨烯氧化物薄膜圖中覆蓋電極結(jié)構(gòu)的綠點(diǎn)