都靈理工大學(xué)研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)出高靈敏度的NEMS諧振器設(shè)備

2021年10月26日，南極熊獲悉，來自都靈理工大學(xué)和耶路撒冷希伯來大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)使納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）的性能達(dá)到了新的水平。

傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體的NEMS設(shè)備生產(chǎn)通常涉及一個(gè)高度復(fù)雜、多步驟和昂貴的制造過程。雖然已經(jīng)試用了絲網(wǎng)印刷、熱壓印、微注塑、甚至3D打印等替代方法，但它們通常僅限于微觀范圍（MEMS），并只能提供相對(duì)低性能的產(chǎn)品。

近日，來自兩所大學(xué)的聯(lián)合研究小組在高性能NEMS設(shè)備制造上取得突破。他們利用雙光子聚合——一種高精度的SLA方法，來3D打印剛性的NEMS諧振器，所制產(chǎn)品性能與硅基諧振器相當(dāng)。這項(xiàng)工作為半導(dǎo)體諧振器替代品提供了一個(gè)可行的、低成本的方案，有望為高靈敏度質(zhì)量和力傳感器等應(yīng)用鋪設(shè)一條新的道路。

△熱處理前后的3D打印NEMS諧振器。圖片來源：都靈理工大學(xué)/耶路撒冷希伯來大學(xué)。

不斷微型化的世界

自從數(shù)字時(shí)代開始以來，我們已經(jīng)將大量的資源投入到電氣和電子設(shè)備的小型化中，以使它們更輕，更便攜，更容易儲(chǔ)存。這適用于智能手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，但也適用于傳感設(shè)備等更加面向工業(yè)的系統(tǒng)。就后者而言，小型化實(shí)際上也屬于性能評(píng)判的一個(gè)直接組成因素。

具體到高性能的質(zhì)量和力檢測(cè)，這些類型的傳感器的靈敏度下限由兩個(gè)因素決定：微小的諧振器質(zhì)量和高質(zhì)量因子'Q'。

小質(zhì)量允許小的擾動(dòng)引起大的諧振頻率，而高質(zhì)量因子Q意味著能量在諧振模式中保留更長的時(shí)間，抑制較小頻率波動(dòng)的影響，否則會(huì)掩蓋較大擾動(dòng)的真實(shí)值�？偠�言之，這兩個(gè)因素使得傳感器更加精確。

△該團(tuán)隊(duì)利用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D打印機(jī)的2PP功能。照片來自Nanoscribe。

NEMS的雙光子聚合技術(shù)

不幸的是，在納米級(jí)傳感設(shè)備中實(shí)現(xiàn)低質(zhì)量和高Q值，歷來需要昂貴和高度復(fù)雜的制造方法，這往往也導(dǎo)致了低制造產(chǎn)量。為了挑戰(zhàn)這一點(diǎn)，研究小組采用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D打印機(jī)和一種專門開發(fā)的金屬鹽液體墨水。

在用墨水打印NEMS諧振器結(jié)構(gòu)后，研究小組在一個(gè)管式爐中加熱樣品數(shù)小時(shí)，以去除有機(jī)成分并增加金屬前體的密度，最終獲得了一套具有高楊氏模量和低阻尼特性的剛性陶瓷結(jié)構(gòu)。

研究小組報(bào)告說，他們的3D打印NEMS諧振器提供了高達(dá)15,000的質(zhì)量系數(shù)和450zg的微小質(zhì)量敏感度，這確實(shí)與傳統(tǒng)硅基NEMS諧振器的性能一致。

該研究的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可在題為 "用3D打印的納米機(jī)械諧振器達(dá)到硅基NEMS性能/Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printednanomechanical resonators" 的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26353-1

△原料制備、3D打印和熱處理NEMS諧振器流程。圖片來源：都靈理工大學(xué)/耶路撒冷希伯來大學(xué)。

傳感元件的3D打印是近來增材制造領(lǐng)域中一個(gè)不斷發(fā)展的應(yīng)用。上個(gè)月，華盛頓州立大學(xué)（WSU）和DL ADV-Tech公司的工程師們開發(fā)了一種3D打印傳感器，能夠檢測(cè)出接觸除草劑草甘膦的情況，這種除草劑被認(rèn)為是致癌的。這些3D打印的傳感器被集成到一個(gè)測(cè)試套件中，成本低，不需要特殊的存儲(chǔ)，使它們成為測(cè)量有害化學(xué)物質(zhì)暴露的理想工具。

在其他地方，圣克拉拉大學(xué)的研究人員最近使用3D打印技術(shù)建造了一個(gè)升級(jí)版的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中部署的水化感應(yīng)裝置。通過重新設(shè)計(jì)和3D打印這些傳感器的部分，工程師們能夠改善其熱檢測(cè)能力，并縮小其整體尺寸。