MIT研究人员用3D打印将MEMS制造成本将至百分之一

近日，麻省理工学院微系统技术实验室的研究人员开发出了一种使用桌面型3D打印机制造高质量微电机系统（MEMS）的方法。用这种方法制造MEMS，其成本仅有市场上现有技术的百分之一，而且质量一点不差。

MEMS是一种非常小的技术装置，其部件尺寸通常为1至100微米。2014年MEMS的市场容量就已经达到了120亿美元，但是这种产品的生产门槛很高。要生产MEMS，必需要用到先进的半导体制造设备，而这种设备的制造成本往往高达数千万美元。如此巨大的投资要求显著阻碍了在MEMS方面对于潜在有用设备的开发。

但是不久前MIT微系统技术实验室的研究人员连续发表的两篇论文表明，这些财务上的障碍有可能很快会被消除。在这两篇论文中，有一篇证明了使用一台桌面设备制造的MEMS气体传感器性能与使用昂贵生产设施制造出来的替代品相差无几，而另一篇论文则证明了这种桌面制造装置的核心部件可以用一台3D打印机制造出来。

研究人员能够通过去除生产工艺中最昂贵的部分，即高温和真空环境，使上述气体传感器的成本降到了以前的一小部分。“我们进行的增材制造是基于低温和无真空的。”微系统技术实验室的首席研究科学家和两篇论文的高级作者Luis Fernando Velásquez-García说。“我们使用的最高温度大概是60摄氏度。而如果在一块芯片上，你可能需要生长氧化物，它的生长温度大约为1000摄氏度。在很多情况下，反应器中还需要高真空以防止污染。我们能够很快地制造出这些设备，从开始到结束只需几个小时。”

这种经济型的气体传感器主要使用氧化石墨烯的小薄片，这种材料只有一个原子厚，具有不同寻常的电学特性。由于这种石墨烯薄片非常薄，因此与气体分子的接触就足以改变其电阻，这使它对于传感极为有用。“我们将这种气体传感器与同类的售价数百美元的商业化产品进行了直接比较。”Velásquez-García说。“我们的到的结果是，它一样精确，而且速度更快。我们以非常低的成本——大概几十美分——制造出来的产品与市场上的产品不相上下，甚至更好。”

实际上，研究人员最初打算使用更昂贵的电喷发射器，以常规技术来制造气体传感器，但是他们后来发现，有一种3D打印机也可以用于制造发射器，其大小和性能等同于消费级的替代品。3D打印也使研究人员能够基于特定目的自定义每个部件，这使得整个过程更具建设性。“当我们开始设计它们的时候，可能完全没有概念。”Velásquez-García解释说。“但一周之内，我们就有可能制造出15代的设备，其中每个设计的性能都会比以前的版本更好。”

尽管这项研究显示了3D打印技术在MEMS制造方面的优势，但是学者们在宣传这条好消息时还是非常谨慎的。“当然，这篇论文开辟了制造气体微传感器的全新技术路径。”波兰Wroclaw技术大学微工程系负责人Jan Dziuban说：“从技术的角度来看，这项技术很容易用于大规模制造。但是这一结果需要进行统计证明。个人经验告诉我，过去有很多高水平的科研论文介绍了大量可用于新型传感器的非常有前途的材料，但是最终并没有出现可靠的产品。”

关于该项研究的细节内容可以从《电喷打印纳米结构的石墨烯氧化物气体传感器（Electrospray-printed nanostructured graphene oxide gas sensors）》论文中找到。